2.1.1. LA MATIÈRE

La constitution de la matière est largement impliquée dans les nombreuses réactions chimiques qui se produisent lors de la combustion.

LA STRUCTURE DE LA MATIÈRE

Parmi les corps que l'on rencontre dans la nature, on distingue essentiellement les corps purs et les mélanges. Ces corps sont à l'état solide, liquide ou gazeux. La matière est essentiellement constituée de particules et de leurs agrégats, séparées les unes des autres par du vide. Les « vides » entre particules sont infiniment grands par rapport aux dimensions infinitésimales des particules. Dans l'espace qui les sépare les unes des autres, ces particules fondamentales sont animées d'un perpétuel mouvement autour de positions moyennes.

Toutes les propriétés macroscopiques des matériaux résultent de l'arrangement des atomes qui les constituent et en particulier des structures moléculaires caractérisées par leur type de liaison.

Les corps se présentent généralement sous forme de mélanges et ce n'est qu'après séparation des constituants que l'on obtient des corps purs. Les mélanges comprennent des molécules de nature différente, chaque type de molécule correspondant à un corps différent que l'on peut isoler par des processus physiques comme la filtration ou la distillation

Les corps purs sont des substances dont toutes les molécules sont identiques. Ils peuvent être composés ou simples.

Les corps composés

Les molécules sont constituées d'atomes différents. Ils sont susceptibles d'être décomposés en corps simples par des processus chimiques (analyse). Inversement, ils peuvent être fabriqués à partir des corps simples qui les composent (synthèse). Par exemple, l'eau pure est un corps composé constitué des corps simples : hydrogène et oxygène, que l'on peut obtenir par décomposition électrolytique.

Les corps simples

Ce sont ceux dont les molécules sont composées d'atomes identiques. Il existe près d'une centaine de corps simples, tels que : l'oxygène, l'hydrogène, le carbone, l'azote, le chlore, le soufre, le sodium, le calcium, le fer, le cuivre, l'aluminium, le zinc...

LA MOLÉCULE

La plus petite quantité de matière d'un corps simple ou composé pouvant exister à l'état libre en conservant toutes les propriétés chimiques de ce corps est la molécule. Autrement dit, c'est la limite extrême de divisibilité du corps pur.

Une molécule est formée d'un nombre déterminé et limité d'atomes, assemblés par des liaisons chimiques. Elle est homonucléaire si ces atomes sont identiques et le corps est simple. Sinon, elle est hétéronucléaire et le corps est composé. Par exemple, le corps simple hydrogène est formé de molécules constituées chacune de deux atomes de l'élément hydrogène. Chaque molécule est représentée par la formule H₂ ; la molécule HCl d'acide chlorhydrique est celle d'un corps composé constitué d'un atome de l'élément hydrogène H et d'un atome de l'élément chlore Cl.

On peut considérer qu'une molécule est un assemblage d'atomes liés entre eux par des électrons. Toutefois la notion essentielle de la constitution d'une molécule est celle d'un ensemble de particules de deux sortes : les électrons, tous identiques, porteurs d'une charge électrique négative et les noyaux, de diverses natures, porteurs d'une charge positive et de masse bien déterminée, plusieurs milliers de fois supérieure à celle de l'électron. C'est cette notion qui les différencie essentiellement de l'atome, celui-ci ne contenant qu'un seul noyau et un nombre d'électrons caractéristiques de l'atome ou l'élément.

L'ATOME

C'est la plus petite quantité d'un corps simple ou élément susceptible d'entrer en combinaison chimique. Les atomes sont formés d'un noyau portant une charge électrique positive, entouré d'électrons chargés négativement disposés en cortèges plus ou moins distants les uns des autres et du noyau central. La dimension des atomes avec leur cortège électronique est de l'ordre de 10^-10 m.

Le noyau atomique est la partie de l'atome où se trouve concentrée la quasi-totalité de la masse. Il est lui-même constitué d'un assemblage de particules fondamentales, les protons, qui ont des charges électriques positives, au nombre de Z, et les neutrons, sans charge électrique, au nombre de N. On regroupe souvent protons et neutrons sous le nom de nucléons. Le noyau est entouré d'un cortège de Z électrons, ce qui assure la neutralité électrique dans l'atome normal (non ionisé).

Chaque espèce nucléaire est donc caractérisée par son nombre de charges ou «numéro atomique » Z et par son nombre de nucléons ou « nombre de masse » A (A = Z + N).

Chaque atome correspond à un élément chimique désigné par un vocable (Hydrogène, Carbone...) et un symbole (H, C...), son nombre de masse A et son numéro ou nombre atomique Z.

Par exemple, pour le carbone, on écrira :

ce qui veut dire que l'atome de carbone est formé de A = 12 nucléons, comprenant 6 protons et 6 neutrons et Z = 6 électrons.

Deux atomes ayant le même nombre de protons et d'électrons, mais qui diffèrent par leur nombre de neutrons, ont les mêmes propriétés chimiques, mais des propriétés nucléaires différentes. Ce sont des « isotopes ».

Les électrons remplissent par leur mouvement incessant le relativement grand volume de l'atome, qui est mille milliards de fois plus grand que celui du noyau. Ces mouvements sont à l'origine de la plupart des phénomènes observables et quantifiables.

LES ÉLECTRONS

Les propriétés chimiques et physiques de la matière (états, dureté, conductibilité, réactivité chimique...) dépendent des forces liant les atomes entre eux. Ces forces dépendent elle-mêmes de la structure électronique des atomes et, en particulier, des énergies de liaison entre noyaux et électrons périphériques. Il existe ainsi cinq types principaux de liaisons : ionique, covalente, métallique, moléculaire ou hydrogène.

Les variations d'énergie au sein du nuage électronique sont à l'origine d'importants phénomènes : les phénomènes d'émission et d'absorption de la lumière par la matière, les réactions chimiques, la diffusion et la dispersion d'ondes électromagnétiques, le courant électrique etc.

Le phénomène d'ionisation

Chaque « couche » électronique est caractérisée par un certain niveau d'énergie qui croît avec l'éloignement du noyau. Ainsi, un électron chassé vers une couche plus extérieure acquiert de l'énergie par rapport au noyau. Avec une énergie suffisante, il peut s'en détacher complètement pour se libérer définitivement de l'atome. Celui-ci perd alors une charge négative. Comme il était neutre, il devient positif. C'est le phénomène d'ionisation.

Le passage d'électrons d'un atome où ils sont peu liés à un atome où ils sont fortement liés est accompagné d'un important dégagement d'énergie correspondant à des réactions vives avec dégagement de chaleur et de lumière, voire à des explosions (combustion du sodium dans le chlore ou du magnésium dans l'oxygène). Toutes les réactions d'oxydoréductions sont dues à des transferts d'électrons : un atome qui cède un ou plusieurs électrons s'oxyde. S'il en gagne, il se réduit. Les composés ioniques ont des propriétés caractéristiques (dureté, points de fusion et d'ébullition élevés). Ils sont mauvais conducteurs du courant ou de la chaleur.

Les phénomènes de conduction

Dans le cas d'un atome possédant beaucoup de couches électroniques, le fer par exemple, les électrons des couches périphériques sont peu attirés par le noyau positif car ces couches sont masquées par les couches intermédiaires qui ont tendance à les repousser. Ils s'en détachent librement, sous l'effet d'une énergie faible (élévation de température, par exemple). Ces électrons libres circulent aisément d'un atome à un autre et permettent le transit de l'électricité et de la chaleur. C'est l'origine du courant électrique. Ainsi, grâce à leurs électrons libres, les métaux sont de bons conducteurs d'électricité. D'une manière comparable, ils conduisent très bien la chaleur. À l'inverse, si les matières plastiques sont isolantes, c'est parce que les électrons ne peuvent pas s'y déplacer.

Si deux atomes ont une différence d'électronégativité faible (ou même nulle, dans le cas d'atomes du même élément), au lieu de passer d'un atome à un autre, les électrons deviennent communs à deux atomes à la fois (liaison covalente) et donnent naissance à des molécules. Les composés ainsi obtenus peuvent être gazeux, liquides ou solides à bas point de fusion, ce qui caractérise la faible énergie de liaison entre les molécules du composé. Le comportement chimique des éléments est lié à leur couche électronique externe : des éléments ayant le même nombre d'électrons sur la couche externe auront des réactions analogues.

LES RADICAUX LIBRES

Sous l'action d'une température élevée ou de divers rayonnements, il se produit des ruptures de liaison de molécules stables donnant naissance à des corps intermédiaires instables, les radicaux libres. Ces particules sont constituées d'atomes possédant des électrons célibataires. L'existence de cet électron célibataire, qui fait que tout radical cherche à gagner l'électron qui lui manque, confère aux radicaux libres une grande réactivité chimique.

Le processus de combustion génère de grandes quantités de radicaux libres qui participent à leur tour aux multiples réactions en chaîne transformant les corps initiaux en produits divers. La combustion d'un mélange d'hydrogène et d'oxygène est un exemple typique de réactions de propagation et de ramification des chaînes auxquelles participent des radicaux (OH, H et H2O2).

Les radicaux libres jouent également un rôle très important dans le processus d'oxydation des hydrocarbures où se produisent des processus de rupture et de ramification des chaînes. Si la probabilité de ramification est supérieure à la probabilité de rupture, la vitesse de la réaction ira en s'amplifiant jusqu'à ce que se produise l'explosion en chaîne.

LA QUANTIFICATION DE LA MATIÈRE

Les particules constitutives de la matière étant extrêmement petites, pour des problèmes de commodité et de matérialisation concrète à notre échelle, on a défini une unité de quantité de matière. Cette unité est la « mole » ou « quantité de matière d'un système contenant autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 0,012 kg de carbone 12 ». L'étalon carbone a été choisi parce qu'il se combine à de nombreux autres éléments et la masse de 12 grammes a été choisie pour conserver à l'unité la même valeur qu'à l'époque où la définition de la mole se référait à 1 gramme d'hydrogène. Dans 12 grammes de carbone, il y a N_A atomes de carbone.

N_A est appelé « nombre d'Avogadro » et sa valeur est de : 6,02.10²³.

Le concept de mole s'applique donc à tout ensemble de 6,02.10²³ particules identiques (molécules, atomes, ions, électrons, radicaux). Ainsi, une « mole de molécules » et une « mole d'atomes », représentent respectivement la quantité de matière contenant N_A molécules ou atomes. On a, de cette manière, défini, pour caractériser chaque élément chimique, un nombre appelé « masse atomique relative », A = N_A · m_a / m_u où m_a est la masse d'un atome (ou la valeur moyenne des masses des atomes isotopes) et m_u le 1/12 de la masse d'un atome de carbone. L'ensemble des valeurs obtenues constitue la « Table des masses atomiques relatives ». En pratique, on utilise les valeurs arrondies.

La masse moléculaire d'un corps composé s'obtient en faisant la somme des masses atomiques de tous les atomes qu'il contient.

Ainsi, la masse moléculaire de l'acide sulfurique H₂SO₄ est 98 (H = 1, S = 32, O = 16).