Aperçu de la matière
Voici des exemples : le verre est un solide transparent, l'eau est un liquide transparent. Les métaux sont des solides (sauf certains comme le mercure) qui sont brillants. Les plastiques sont généralement des solides opaques, le bois aussi. L'air que vous respirez est un gaz, le feu est un plasma lumineux. La fumée ressemble à un gaz, mais il s'agit plutôt de nombreux petits grains solides. Le sable est à mi chemin entre un liquide est un solide, et il s'écoule dans un sablier. Enfin il y a aussi les gels, qui ne sont ni solides ni liquides.
On pourrait imaginer qu'il faut de nombreux constituants bien différents pour faire toutes ces choses. En vérité il n'y a besoin que de trois particules.
L'idée que la matière est composée de nombreux éléments minuscules date d'environ 2500 ans. Ces composants imaginés par Leucippe et Démocrite furent appelés atomos, qui signifie 'indivisible', car il pensait qu'on ne pouvait pas les réduire à autre chose d'encore plus petit.
Comment avaient-ils pu imaginer ça alors que les observations et les connaissances de l'époques étaient loin de démontrer l'existence de ces atomes ?
Il semblerait que ce soit à cause des odeurs. En effet un objet peut être senti à distance : lorsqu'on coupe une pomme, il nous parvient une odeur de pomme, pour ça il fallait que des morceaux invisibles de la pomme parviennent jusqu'au nez.
On a oublié pendant presque deux mille ans la théorie des atomes, qui ne fût réintroduite qu'au début des années 1800 par les chimistes. De nombreux travaux se mirent alors à utiliser et à confirmer cette notion et on parvint enfin à l'admettre pour de bon un peu avant 1900. En 1969 les classe dans un tableau. Ce tableau, même s'il est encore incomplet, montre qu'il existe une centaine d'éléments chimiques qui permettent de composer toutes les sortes de matières.
A partir de là tout est allé très vite et la théorie confirmée eût à peine le temps d'exister avant de se révéler inexacte.
En 1897 on découvre l'existence des électrons, un des constituants des atomes, ce qui montre alors qu'il ne sont pas indivisbles ni élémentaires. En 1911 on découvre l'existence du noyau des atomes.
Les travaux et les découvertes sont inombrables entre 1850 et 1950 et je ne vais pas en parler. Je vais directement vous expliquer ce que nous savons actuellement de la matière.
Comme je vous l'ai dit au début, tout est composé de trois particules : les électrons, les protons et les neutrons.
Un élément chimique est défini par son noyau qui est fait de protons et de neutrons. En fait c'est plus précisémment le nombre de protons qui définit l'élément :
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l'hydrogène, le plus simple et le plus abondant (95% des atomes de l'univers sont des atomes d'hydrogène), a un noyau qui se résume à un proton tout seul.
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L'hélium a un noyau contenant deux protons.
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Le lithium est le troisième élément, son noyau contient trois protons. Etc..
C'est ainsi qu'on passe d'un élément à l'autre dans le tableau de Mendeleïev : il suffit d'ajouter un proton pour passer à l'élément suivant dans la case juste à sa droite. Voici d'autres exemple d'éléments : le carbone contient six protons, le fer en contient 26, le plombs 82 et l'uranium 92.
Le noyau est formé des protons et aussi des neutrons, dont le nombre peut varier pour un même élément. Par exemple l'hélium peut posséder un neutron ou deux neutrons. Le carbone peut contenir six neutrons (le carbone 12) ou huit neutrons (le carbone 14, qui est instable).
Un neutron c'est presque pareil qu'un proton : leur taille et leur masse sont presque les mêmes. La seule différence c'est que le proton a une charge électrique (positive, par convention) alors que le neutron n'en a pas (il est électriquement neutre, d'où son nom).
Pour construire un atome il suffit alors d'ajouter les électrons, qui vont entourer le noyau et lui donner du volume. Un électron est 2000 fois plus léger qu'un proton ou un neutron. Il a une charge électrique (négative, par opposition à celle des protons), et on peut dire qu'il a une taille nulle même s'il occupe un espace des milliers de fois plus grand que le noyau.
Pour que l'atome soit neutre globalement il faut qu'il y ait le même nombre de protons que d'électrons.
Vous pouvez maintenant bien visualiser les atomes : n'importe quel élément qui compose la mtière qui se trouve autour de vous est fait d'un noyau de protons et de neutrons, avec tout autour une sorte de nuage d'électrons emplissant un large espace.
On dit souvent, pour simplifier, que la matière n'est pratiquement composée que de vide. Nous devrions donc passer à travers notre chaise quand on essaie de s'asseoir dessus.
En vérité les électrons, même s'ils sont minuscules, sont 'partout à la fois'. Cela signifie juste que les électrons qui entourent les atomes de vos fesses ne peuvent pas occuper l'espace occupé par les électrons de la chaise.
(On dit qu'ils ne peuvent pas avoir le 'même état quantique', même si deux électrons peuvent occuper une même position)
Les électrons ont d'autres rôles aussi important que nous permettre de nous asseoir. Ce sont eux qui définissent la chimie et les propriétés macroscopiques d'un matériau. Ce sont eux qui font que le verre est transparent alors que le plastique ne l'est pas.
Parlons des trois propriétés lumineuses : la transparence, l'opacité, et la brillance.
Un verre, ou un cristal comme le diamant, est un ensemble d'atomes qui utilise tous ses électrons pour faire des liaisons. Lorsque la lumière arrive dans ce matériau, elle ne trouve aucun obstacle et elle passe tranquillement à travers.
Un matériau opaque a des électrons qui vont pouvoir réagir au passage de la lumière : ils vont absorber celle-ci. En absorbant la lumière ils vont gagner un peu d'énergie et bouger plus vite, ce qui se traduit par une augmentation de température.
Enfin, un métal est particulier. Ses atomes sont bien liés entre eux mais il reste alors un grand nombre d'électrons qui ne servent à rien et peuvent aller n'importe où en passant d'un atome à l'autre. On dit qu'il y a des électrons libres. Lorsque la lumière arrive sur un tel matériau, elle ne peut pas du tout entrer dedans. Elle va interagir avec des électrons de la surface qui vont la renvoyer de là où elle venait. C'est grâce à ça qu'on peut se servir d'un métal pour faire un miroir.
Les électrons libres ont une autre utilité : ils peuvent servir de courant électrique (car le courant est un déplacement des électrons) et même permettre de transmettre la chaleur.
C'est pour ça que les casseroles sont souvent en métal : le mouvement des électrons de la source chaude (par exemple la plaque chauffante) fait directement bouger ces électrons libres, qui font alors bouger les atomes de ce qui se trouve dans la casserole.
A l'inverse le couvercle de la casserole peut être un matériaux isolant.