Vidéo de la leçon: Moles Chimie

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous allons découvrir l’une des unités les plus importantes de la chimie, la mole. Nous verrons pourquoi elle est utile, comment elle est définie, et comment faire la conversion entre les masses formulaires, les masses et les quantités en moles.

Une fois que les chimistes ont découvert l’atome, ils se sont retrouvés face à un problème. Les atomes sont si petits et pèsent si peu qu’il est impensable de peser des atomes individuels. Il y a eu de nombreuses unités de masse au cours des siècles, mais l’unité actuellement la plus connue des chimistes est le gramme. Je ne vais pas entrer dans les détails de la définition officielle du gramme, mais ce que vous pouvez retenir, c’est qu’un millilitre d’eau, le volume d’eau qui remplit un cube d’un centimètre par un centimètre par un centimètre, a une masse d’un gramme.

Plutôt que d’essayer de peser des atomes individuels, les chimistes ont inventé une unité. Tout comme l’utilisation d’une douzaine pour regrouper les œufs, cette unité aiderait à regrouper les atomes, les ions, les molécules etc, en groupes que nous pouvons peser. Voici un atome d’hydrogène 1. Il a un proton dans le noyau, aucun neutron, et un électron. Un atome d’hydrogène 1 a une masse d’environ une unité de masse atomique unifiée. Une unité de masse atomique unifiée, de symbole u, est équivalente au douzième de la masse d’un atome de carbone 12. C’est ainsi qu’on définit les masses à l’échelle atomique.

Voici un gramme d’atomes d’hydrogène 1 contenu dans un bocal de gaz. Si on comptait tous ces atomes, on se retrouverait avec environ six fois 10 puissance 23 atomes. Soit six cent mille milliards de milliards d’atomes. Théoriquement, si on pouvait compter un atome chaque seconde, il faudrait 80 millions de fois la durée de vie de l’univers connu, pour compter tous les atomes. C’est 80 millions de fois 13,8 milliards d’années. Clairement, les chimistes n’ont pas vraiment ce temps.

Donc pour faire simple, les chimistes ont inventé une quantité fixe d’objets et l’ont appelée le nombre d’Avogadro, du scientifique italien Amedeo Avogadro. Le nombre d’Avogadro est exactement 6,02214076 fois 10 puissance 23. Cela représente environ 602 mille milliards de milliards. L’ancienne définition du nombre d’Avogadro était dérivée du nombre d’atomes de carbone 12 dans une quantité stricte de carbone 12. Mais au cours des années 2010, le nombre d’Avogadro a été défini comme un nombre strict de choses. Donc, on peut en fait dire que le nombre d’Avogadro est un nombre défini d’objets. Cependant, il y a beaucoup plus de chances de le voir en notation scientifique qu’écrit en entier.

Bon, ça peut sembler un peu compliqué, tout ça. Et tout ce que nous avons, c’est un nombre énorme. Mais à quoi il sert ? À vrai dire, le nombre d’Avogadro est inévitable pour la conversion entre les unités de masse atomique unifiées et les grammes. Ainsi, le nombre d’objets égal au nombre d’Avogadro, chacun de ces objets pesant une unité de masse atomique unifiée, a une masse combinée d’un gramme.

Maintenant que nous avons vu les choses compliquées, prenons un peu de recul et voyons comment cela serait utile. Si vous prenez une brique, elle aura une propriété que nous appelons la masse. Mais ce n’est qu’une des nombreuses propriétés d’une brique donnée. Il y a notamment une propriété spéciale qui peut être appliquée aux briques et à bien d’autres choses. C’est la quantité. Une seule brique a une quantité de un. Mais si on a 10 briques, alors la quantité de briques est de 10.

Quand on parle de produits chimiques, on parle souvent de la quantité de ce produit chimique. Ce qu’on entend par là, c’est le nombre d’unités que nous avons de ce produit chimique. Donc, si on a un atome d’hydrogène, la quantité d’atomes est un. Regardons une molécule d’eau pour voir comment la quantité peut changer en fonction de ce dont on parle. Une molécule d’eau se compose de deux atomes d’hydrogène liés à un atome d’oxygène. Donc, on a trois atomes au total. Mais on peut aussi parler de la quantité de molécules d’eau. Donc, si on a une molécule d’eau, la quantité de molécules qu’on a est un.

Mais on ne peut pas dire qu’on a une quantité de molécules si on n’a qu’un atome d’hydrogène. Un atome n’est pas une molécule, donc cela n’est tout simplement pas applicable. Certaines mesures de quantité de substance s’appliquent à certaines substances et pas d’autres. Le nombre d’Avogadro est utile quand on parle de grandes quantités. Un nombre d’atomes d’hydrogène 1 égal au nombre d’Avogadro a une masse d’environ un gramme. Et les chimistes ont inventé une nouvelle unité pour cette quantité de substance, appelée la mole. Le nombre d’objets égal au nombre d’Avogadro est égal à une mole d’objets. Une mole est simplement un groupe d’objets. Il s’agit du nombre d’atomes, d’ions, de molécules, ou de tout type de produit chimique ou de particule, égal au nombre d’Avogadro.

Quand on parle de ces objets en général, on les appelle des entités. L’abréviation de la mole est mol. Tout comme nous l’avons dit plus tôt, on peut considérer une mole comme un groupe, de la même manière que la douzaine. Une douzaine d’œufs équivaut à 12 œufs. Une mole de X équivaut à un nombre de X égal au nombre d’Avogadro. Ce qui est pratique avec la mole, c’est qu’elle permet de faire la conversion entre les masses à l’échelle atomique, exprimées en unités de masse atomique unifiées, et les masses à l’échelle humaine, exprimées en grammes.

Un atome de carbone 12, qui est un atome avec six protons, six neutrons et six électrons, a une masse exacte de 12 unités de masse atomique unifiées. Vous pouvez exprimer les unités de masse atomique unifiées en grammes si vous le souhaitez, mais une unité de masse atomique unifiée correspond à seulement 1,66 fois 10 puissance moins 24 grammes environ. Donc, pour que les choses restent simples, on peut utiliser des unités de masse atomique unifiées et dire que la masse du carbone 12 est de 12 u par atome. Une mole de carbone 12 a une masse de 12 grammes. On peut donc dire que la masse par mole d’atomes de carbone 12 est de 12 grammes par mole d’atomes. On appelle cela la masse molaire du carbone 12.

On peut regarder à l’intérieur de la mole d’atomes de carbone et s’assurer qu’il y a environ six fois 10 puissance 23 atomes. Et on peut aussi dire combien il y a de protons, de neutrons et d’électrons dans cette mole, étant donné qu’il y a six protons, six neutrons et six électrons par atome. Mais il est beaucoup plus facile d’utiliser les moles. Nous avons une mole d’atomes composée de six moles de protons, six moles de neutrons et six moles d’électrons.

Quand on travaille avec les moles, il est essentiel d’identifier l’entité dont on parle. Donc, avec le carbone 12, nous parlons d’atomes. Et nous savons déjà qu’une mole de carbone 12 contient une mole d’atomes de carbone 12 et six moles de protons, six moles de neutrons et six moles d’électrons. Mais on peut appliquer ce principe à d’autres entités. Le dioxyde de carbone est une substance moléculaire. Ces molécules sont composées de deux atomes d’oxygène et d’un atome de carbone. Ainsi, une mole de dioxyde de carbone est constituée d’une mole de molécules de dioxyde de carbone. Mais nous pouvons regarder dans ces molécules et voir que nous avons une mole d’atomes de carbone et deux moles d’atomes d’oxygène.

Mais nous pouvons également appliquer la mole à des entités telles que les ions et les unités ioniques dans les substances ioniques. La substance « chlorure de sodium » a l’unité simple NaCl. Ainsi, une mole de chlorure de sodium contient une mole d’unités de chlorure de sodium, qui se compose d’une mole d’ions Na+ et d’une mole d’ions Cl-. Faites attention avec les substances ioniques car la façon dont vous définissez l’unité changera la quantité d’entités que vous recherchez.

Ce que nous allons maintenant examiner, c’est quelque chose qui ressemble au nombre d’Avogadro mais qui est légèrement différent. Lors de la conversion entre la quantité d’une entité en moles et le nombre de ces entités, on peut utiliser ce qu’on appelle la constante d’Avogadro. La constante d’Avogadro correspond au nombre d’Avogadro avec l’unité par mole. C’est un outil utile pour nous rappeler combien d’entités il y a par mole de quelque chose. Techniquement, la constante d’Avogadro doit être écrite comme ceci. Cependant, seuls les instruments les plus précis auraient besoin de la constante d’Avogadro avec une précision si extrême. Donc, vous verrez probablement la constante d’Avogadro arrondie à quatre chiffres significatifs, soit 6,022 fois 10 puissance 23 par mole. En arrondissant à trois ou même deux chiffres significatifs, cela ne pose souvent aucun problème non plus.

Maintenant, appliquons la constante d’Avogadro à un problème. Imaginons que nous ayons 24 grammes d’atomes de carbone 12. Nous savons que la masse molaire du carbone 12 est de 12 grammes par mole d’atomes de carbone 12. Nous pouvons diviser les 24 grammes par 12 grammes par mole et trouver que nous avons 2 moles d’atomes de carbone 12. Pour convertir le nombre de moles d’atomes de carbone en nombre d’atomes de carbone, nous devons simplement multiplier le nombre de moles par le nombre d’entités par mole, qui est la constante d’Avogadro. La constante d’Avogadro porte généralement le symbole N indice A. Nous obtenons donc environ 1,2 fois 10 puissance 24 atomes de carbone 12.

La constante d’Avogadro permet donc d’ajouter ou d’enlever facilement les unités de moles dans les équations. Ce qui nous reste à faire, c’est de combiner tout cela. L’une des compétences les plus importantes en chimie, c’est la conversion entre la masse et la quantité d’une substance en moles. Chaque substance a une formule chimique. Par exemple, le chlorure de sodium a la formule NaCl. À partir d’une formule, nous pouvons déterminer la masse formulaire. Pour le chlorure de sodium, la masse formulaire est 58,44 unités de masse atomique unifiées, car c’est ce que pèsent un atome de sodium et un atome de chlore. Si vous préférez, vous pouvez utiliser les masses atomiques relatives pour calculer la masse formulaire relative.

Avec toute nouvelle substance que vous voulez peser, vous devez déterminer la masse molaire de cette substance. C’est vraiment facile car la masse molaire a la même valeur numérique en grammes par mole que la masse formulaire en unités de masse atomique unifiées. Une fois que vous avez obtenu la masse molaire, vous pouvez commencer à analyser les échantillons.

Dans cet exemple, nous avons environ 120 grammes de chlorure de sodium. Si nous prenons la masse et la divisons par la masse molaire, nous obtenons la quantité en moles, dans ce cas, deux moles de NaCl. On peut facilement faire la conversion entre la masse et la quantité en divisant ou en multipliant par la masse molaire, qui porte le symbole M. Vous pouvez utiliser la formule : 𝑛, la quantité en moles, est égale à 𝑚, la masse en grammes, divisée par M majuscule, la masse molaire en grammes par mole. Pour bien intégrer ces notions, faisons un peu de pratique.

Combien de moles d’atomes y a-t-il dans 12 grammes de carbone 12 ?

Carbone 12, c’est le nom d’un isotope spécifique de l’élément carbone. Nous pouvons trouver la case du carbone dans le tableau périodique des éléments, qui nous indique que le symbole pour le carbone est C et que le numéro atomique du carbone est six. Nous pouvons utiliser ces informations pour en apprendre un peu plus sur la structure d’un atome de carbone. Comme pour tous les atomes, on a un noyau entouré d’un nuage d’électrons. Le numéro atomique nous indique le nombre de protons dans les atomes de carbone. Donc, dans ce noyau, on a six protons.

Par définition, un atome est globalement neutre. Donc, on a besoin de six électrons pour équilibrer la charge des six protons. Cependant, il manque une information. Un atome de carbone 12 contient un nombre spécifique de neutrons. Quand on nomme des isotopes, on utilise le nombre de masse. Dans ce cas, le nombre de masse du carbone 12 est 12. Le nombre de masse d’un isotope est simplement le nombre de protons plus le nombre de neutrons qui se trouvent dans le noyau de cet isotope.

Pour calculer le nombre de neutrons dans notre atome de carbone 12, il suffit de soustraire le nombre atomique au nombre de masse, ce qui nous donne six, donc six neutrons dans le noyau. Donc, nous savons maintenant à quoi nous avons affaire, soit des atomes neutres de carbone 12 qui consistent en six protons, six neutrons et six électrons chacun.

La question nous dit que nous avons exactement 12 grammes de carbone 12. Pour calculer le nombre absolu d’atomes, on pourrait prendre la masse totale et la diviser par la masse de chaque atome. Cependant, cela donnerait le nombre d’atomes. Mais la question demande la quantité d’atomes en moles. Une mole d’atomes équivaut au nombre d’atomes égal au nombre d’Avogadro, qui est un nombre extrêmement grand, environ six fois 10 puissance 23. Donc, pour obtenir non pas le nombre d’atomes, mais le nombre de moles d’atomes, nous devons diviser notre masse par la masse par mole de carbone 12.

Vous voyez peut-être que la masse par mole, c’est ce qu’on appelle la masse molaire. À ce stade, il est très facile de faire une erreur et d’utiliser la masse atomique pour l’élément du tableau périodique. Pour un élément, on peut prendre le nombre dans le tableau périodique et ajouter les unités, unités de masse atomique unifiées, pour obtenir la masse atomique, puis convertir celle-ci en masse molaire avec des unités de grammes par mole. Cependant, cette valeur est une moyenne déterminée à partir des proportions de chaque isotope et de la masse de chaque isotope.

Pour trouver la masse molaire du carbone 12, nous devons faire autrement. Nous devons alors nous rappeler la définition réelle d’une unité de masse atomique unifiée, un douzième de la masse d’un atome de carbone 12. Cela signifie que la masse d’un atome de carbone 12 est exactement de 12 unités de masse atomique unifiées. Par conséquent, la masse par mole de carbone 12 est de 12 grammes par mole, mole d’atomes de carbone 12. Nous pouvons calculer le nombre de moles d’atomes dans 12 grammes de carbone 12 en prenant la masse et en la divisant par la masse molaire.

Cela peut être écrit : 𝑛 égal 𝑚 divisé par 𝑀 majuscule. Donc, notre quantité est de 12 grammes multipliés par une mole pour 12 grammes, ce qui donne exactement une mole d’atomes de carbone 12. Par conséquent, le nombre de moles d’atomes dans 12 grammes de carbone 12 est une mole.

Maintenant, il est temps de conclure avec les points clés. Tout d’abord, l’unité de masse qu’on utilise à l’échelle atomique est l’unité de masse atomique unifiée, qui correspond à environ 1,66 fois 10 puissance moins 24 grammes. Une unité de masse atomique unifiée est définie comme un douzième de la masse d’un atome de carbone 12.

Le nombre spécial appelé nombre d’Avogadro est simplement le nombre d’ unités de masse atomique unifiées qui équivalent à un gramme. Le nombre d’Avogadro est maintenant défini comme 6,02214076 fois 10 puissance 23. Le nombre d’Avogadro était défini par rapport à une quantité spécifique de carbone 12. La nouvelle définition correspond simplement à une meilleure estimation de ce nombre.

La quantité d’une substance est généralement mesurée en unités appelées moles. Une mole de toute espèce, que ce soit un atome, une molécule, une unité ou un ion, équivaut au nombre de ces entités égal au nombre d’Avogadro. La constante d’Avogadro est un terme utile pour les équations. Il nous donne le nombre d’entités par mole. Il est parfois simplifié à environ 6,022 fois 10 puissance 23 par mole.

On peut faire la conversion entre une quantité en moles, une masse en grammes et une masse molaire en grammes par mole en utilisant cette formule. Vous pouvez la voir sous la forme : 𝑛 égal 𝑚 divisé par 𝑀 majuscule. On peut facilement faire la conversion entre la masse atomique relative, la masse atomique en unités de masse atomique unifiées et la masse molaire en grammes par mole, car le nombre sera exactement le même. On change juste les unités. Par exemple, pour le carbone 12, la masse atomique relative est de 12, la masse atomique est de 12 unités de masse atomique unifiées et la masse molaire est de 12 grammes par mole.