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Vidéo de la leçon : Masse moléculaire Chimie

Dans cette leçon, nous allons apprendre à définir la masse moléculaire, et à calculer sa valeur pour des formules moléculaires données en utilisant les masses atomiques.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons découvrir les masses moléculaires, et apprendre à les calculer à partir des masses atomiques. Nous allons également examiner la différence entre les masses et les masses relatives.

Avant de pouvoir explorer les masses moléculaires, nous devons nous rappeler ce qu’est une masse atomique. Les atomes sont vraiment minuscules, donc ils ont de très très petites masses. L’atome d’hydrogène est le plus petit atome et est composé d’un seul électron lié à un seul proton. Si nous mesurons la masse d’un atome d’hydrogène en grammes, la valeur serait très faible. Nous avons toutefois un système beaucoup plus pratique.

Imaginez que vous chargez une camionnette de livraison avec des fruits. Chaque type de fruit pèse une quantité différente. Et vous pouvez utiliser les grammes. Ainsi, une pomme pèse 80 grammes, une banane, 120 grammes, et une pastèque, 8000 grammes ou huit kilogrammes. Cependant, pour rendre les choses plus faciles à gérer, nous pourrions créer notre propre unité de masse spéciale, que nous appellerons « la pomme », qui est de 80 grammes. Notre pomme a une masse d’une « pomme », la banane a une masse de 1,5 « pommes » et notre pastèque a une masse de 100 « pommes ».

Ces nombres sont des masses relatives. Ils sont relatifs à la pomme. Ces chiffres sont beaucoup plus faciles à comparer. Nous savons que lors du chargement de notre camionnette, chaque pastèque pèsera jusqu’à 100 pommes. Au lieu d’utiliser les masses en grammes d’atomes individuels qui sont incroyablement minuscules, nous définissons l’équivalent de pommes pour les atomes. Pour des raisons compliquées que je n’aborderai pas ici, les chimistes ont choisi leur atome pomme comme étant un atome de carbone 12. C’est un atome composé de six protons et de six neutrons dans le noyau et de six électrons dans le nuage d’électrons. La définition complète est un peu plus complexe, mais nous n’y reviendrons pas ici.

En utilisant le carbone 12, nous pouvons commencer à parler des masses d’autres atomes en nombres plus raisonnables. Ici, mes exemples sont des atomes d’hydrogène 1 et de brome 79. Maintenant, nous pouvons simplement utiliser l’ensemble de l’atome de carbone comme point de référence. Avec cette échelle, un atome de carbone 12 aurait une masse de un. Et nos atomes d’hydrogène et de brome auraient des masses relatives respectivement d’environ un douzième et 6,6.

Cependant, les chimistes ont trouvé un moyen plus pratique. Les électrons possèdent une masse faible par rapport aux protons et aux neutrons, mais les protons et les neutrons pèsent à peu près la même masse. Donc, les chimistes utilisent plutôt un système où le nombre de protons plus le nombre de neutrons est très proche de la masse relative. Bien que cela puisse paraître compliqué, cela rend les choses beaucoup plus faciles. Ces petits nombres faciles à manipuler peuvent être utilisés dans les calculs. Et nous pouvons mesurer la masse d’un atome de carbone 12 plus facilement que la masse d’un proton ou d’un neutron individuel.

Donc, pour nos besoins, la masse relative est la masse de quelque chose sur une échelle où la masse d’un atome de carbone 12 est exactement 12. Les masses relatives en chimie sont bonnes tant que vous vous souvenez sur quoi elles se basent. Pour faciliter les choses, il existe une unité appelée unité de masse atomique unifiée avec le symbole u. Elle est très similaire à l’unité de masse atomique uma, mais je vais utiliser u constamment.

Une unité de masse atomique unifiée est égale à un douzième de la masse de l’atome du carbone 12. Donc, elle est définie de manière très similaire à la masse relative. Les unités de masse atomique unifiée sont particulièrement utiles lorsque vous souhaitez convertir en grammes car une unité de masse atomique unifiée est approximativement égale à 1,66 fois 10 puissance moins 24 grammes.

Alors, comment utiliser la mesure d’une masse en fractions d’atome de carbone ? Si vous regardez tous les atomes et les ions de l’univers, vous pourrez identifier de nombreuses variétés différentes. Nous les regroupons d’abord en fonction du nombre de protons dans leurs noyaux. Ce sont des éléments dont le carbone est un exemple. Cependant, les noyaux d’un élément peuvent avoir différents nombres de neutrons. Donc, nous avons un autre degré de regroupement qui est les isotopes.

Sur Terre, nous devons connaître la masse moyenne des atomes d’un élément pour faire des calculs. Nous analysons donc des échantillons et déterminons la proportion de chaque isotope. Vous bénéficiez d’années de recherche sous la forme du tableau périodique, où vous pouvez voir les masses atomiques moyennes de nombreux éléments.

Prenons le carbone à titre d’exemple. Nous pouvons lire le nombre en bas comme une masse atomique moyenne et ajouter les unités d’unités de masse atomique unifiée. Ou nous pouvons le prendre comme une masse atomique relative. Nous définissons la masse atomique moyenne d’un élément comme la masse moyenne d’un atome de cet élément en unités de masse atomique unifiée. La masse atomique moyenne du carbone est de 12,011 unités de masse atomique unifiée, un peu plus élevée en moyenne qu’un atome de carbone 12 car il y a du carbone 13 dans les échantillons sur Terre.

Bien sûr, vous pouvez utiliser la masse atomique relative ou MAR, qui est simplement la masse moyenne de l’atome sur une échelle où un atome de carbone 12 a une masse de 12. Certains éléments n’ont pas de masses atomiques standardisées car elles sont trop rares pour permettre des mesures précises, souvent parce qu’elles sont instables et subissent une désintégration radioactive pour former d’autres éléments.

Maintenant que nous savons comment déterminer le poids moyen des atomes de différents éléments, nous devrions être en mesure de déterminer le poids des molécules et des composants.

Imaginons que vous voulez peser des quantités spécifiques de produits chimiques dans le laboratoire, mais les atomes sont liés ensemble, comme dans une molécule d’eau. Une molécule d’eau est composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Nous ne savons pas avec certitude quels sont les isotopes de cette molécule. Mais nous savons, en moyenne, que chaque atome d’hydrogène a une masse de 1,008 unité de masse atomique unifiée du tableau périodique et que chaque atome d’oxygène a une masse de 15,999 unités de masse atomique unifiée.

Pour calculer la masse de la molécule d’eau moyenne, il suffit d’additionner les masses des atomes, ce qui nous donne 18,015 unités de masse atomique unifiée. Rappelez-vous, c’est une moyenne pour toutes les molécules d’eau. Certaines molécules d’eau peuvent être un peu plus légères car elles sont constituées d’isotopes plus légers de l’oxygène et de l’hydrogène. Et, bien sûr, certains peuvent être plus lourds. Nous n’essayons pas de déterminer la masse réelle de différentes molécules. Nous travaillons simplement sur des moyennes afin que nous puissions faire des calculs pour le laboratoire.

Pour l’eau, nous appelons cela la masse moléculaire. C’est parce que nous pouvons examiner la formule chimique de l’eau H2O, voir qu’il y a deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène, et additionner les masses moyennes de ces atomes. Ainsi, la masse moléculaire est simplement la somme des masses atomiques moyennes des composants d’une formule. La masse moléculaire relative est simplement l’équivalent en masses atomiques relatives.

La masse moléculaire est un terme général. Pour les mailles, la formule chimique est le rapport le plus simple des éléments qui les composent. Par exemple, le chlorure de sodium est constitué d’alternance d’ions sodium et d’ions chlorure. Puisque la maille cristalline pourrait théoriquement se répéter indéfiniment, il n’y a pas de moyen simple d’écrire la formule. Donc, nous écrivons la formule empirique NaCl. Et nous faisons la même chose pour les métaux comme le magnésium ou les mailles covalentes comme le dioxyde de silicium.

Pour calculer la masse moléculaire du chlorure de sodium, nous prenons simplement la masse atomique moyenne du sodium et l’ajoutons à celle du chlore, ce qui nous donne 58,44 unités de masse atomique unifiée. Pour le magnésium, la masse moléculaire est exactement la même que la masse atomique moyenne du magnésium.

Pour les molécules, la formule chimique peut être différente de la formule empirique. Ceci est une molécule d’eau oxygénée composée de deux atomes d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. La formule empirique du peroxyde d’hydrogène n’est que HO, car les atomes d’hydrogène et d’oxygène sont dans un rapport de un pour un. Mais la formule moléculaire représente tous les atomes d’une seule molécule H2O2. C’est la formule moléculaire que nous utilisons lorsque nous calculons la masse moléculaire d’une substance moléculaire. Donc, nous appelons cela précisément la masse moléculaire pour être claire.

La masse moléculaire est simplement la masse molaire d’une molécule basée sur sa formule moléculaire. Maintenant, nous allons voir comment nous calculerions la masse moléculaire pour différents types de substance.

Pour un atome ou un ion, la masse moléculaire est simplement la masse atomique de l’élément. Pour les ions, nous ignorons généralement tout changement de masse dû au gain ou à la perte d’électrons. Dans les cas des mailles comme le chlorure de sodium, le magnésium ou le dioxyde de silicium, nous commençons par séparer la formule en différents éléments, en gardant une trace du nombre d’atomes ou d’ions pour chacun d’entre eux. Ensuite, nous recherchons les masses atomiques moyennes pour ces éléments dans le tableau périodique. Nous multiplions ensuite ces masses atomiques moyennes par le nombre d’atomes ou d’ions dans la formule, puis nous les ajoutons ensemble.

Les molécules peuvent être dessinées de différentes façons, vous devrez donc déterminer la formule moléculaire à partir d’un diagramme. Une fois que vous avez compté tous les atomes de chaque élément, vous faites alors exactement le même processus qu’avec la maille. Séparez la formule, trouvez les masses atomiques moyennes, faites la multiplication et additionnez-les.

Nous avons donc examiné comment les masses moléculaires s’appliquent aux atomes, aux ions, aux mailles et aux molécules. Pratiquons un peu.

L’unité de masse atomique u est définie comme un douzième de la masse d’un atome de carbone 12. Quelle est la masse d’un atome de silicium 30 en unités de masse atomique ?

Parfois, vous pouvez voir que le mot unifié est supprimé dans l’expression unité de masse atomique unifiée. Cela ne pose pas de problème tant que vous utilisez le symbole u. Le symbole uma est parfois utilisé de manière interchangeable, mais ils sont en fait définis légèrement différemment. Mais c’est tout à fait correct parce que nous avons en fait la définition dans la question, un douzième de la masse d’un atome de carbone 12.

Le carbone est un élément que nous pouvons trouver dans le tableau périodique. Le numéro atomique du carbone est six. Le numéro atomique d’un élément est le nombre de protons que nous trouvons dans les atomes ou dans les ions de cet élément. Donc, dans un atome de carbone 12, nous savons qu’il y a six protons dans le noyau. Dans la dénomination des isotopes comme le carbone 12, nous mettons le nombre de masse à la fin. Le numéro atomique nous indique le nombre de protons dans le noyau. Et le nombre de masse nous indique le nombre de protons plus le nombre de neutrons.

Ce que cela nous dit, c’est que dans notre noyau de carbone 12, nous avons six protons et suffisamment de neutron et lorsque vous les additionnez, vous obtenez 12. 12 moins six est égale à six Donc, nous avons six neutrons. Et puisque nous avons affaire à des atomes, qui doivent être neutres, nous devons avoir six électrons pour équilibrer la charge positive des protons.

La prochaine chose à faire est de déterminer la masse d’un atome de silicium 30 en unités de masse atomique. Le silicium est l’élément situé juste en dessous du carbone dans le tableau périodique avec le numéro atomique 14. Donc, nous savons que dans notre atome de silicium 30, il doit y avoir 14 protons dans le noyau. Mais bien sûr, le silicium 30 est un isotope du silicium où les noyaux contiennent un nombre strict de neutrons et le nombre de protons plus le nombre de neutrons est égal à 30.

Ainsi, notre atome de silicium 30 contient également 16 neutrons. Tout comme pour l’atome de carbone, nous avons affaire à une combinaison neutre de protons et d’électrons. Donc, nous avons besoin de 14 électrons pour équilibrer la charge des 14 protons. La première chose que nous devons comprendre est qu’un atome de carbone 12 a une masse exactement de 12 unités de masse atomique unifiée. Nous savons que, grâce à la définition, une unité de masse atomique unifiée est la masse d’un atome de carbone 12 divisé par 12.

La prochaine chose que nous devons savoir est que la masse d’un proton et la masse d’un neutron sont à peu près les mêmes. Et que les électrons ont beaucoup moins de masse que les protons ou les neutrons. Et c’est la raison pour laquelle nous pouvons les ignorer. Les protons et les neutrons sont rassemblés sous le nom de nucléons. Donc, la question est : si 12 nucléons ont ensemble une masse de 12 unités de masse atomique unifiée, quelle sera la masse de 30 nucléons ? Et la réponse est 30 unités de masse atomique unifiée.

Maintenant, gardez à l’esprit que cela n’est qu’approximatif car lorsque les neutrons et les protons se lient, leur masse change légèrement et les choses sont un peu plus compliquées. Vous avez peut-être remarqué que je me suis éloigné de la masse atomique moyenne du silicium, qui est de 32,06. Cela représente la masse moyenne d’un atome de silicium sur Terre qui tient compte de l’abondance relative des différents isotopes de silicium.

Notre estimation de 30 unités de masse atomique unifiée pour un atome de silicium 30 est la meilleure que nous pouvons faire avec les chiffres dont nous disposons.

Maintenant, regardons un calcul de la masse moléculaire.

Une substance a une unité de formule AB2. Quelle est la masse moléculaire relative de cette substance en matière de Ar (A) et Ar (B), respectivement les masses atomiques relatives de A et B ?

Ceci est un peu délicat car on ne nous a pas dit quels éléments sont impliqués. Nous avons juste un A, quel qu’il soit, et deux B. On nous demande la masse moléculaire relative de cette substance, ce qui signifie que nous devons calculer la masse relative avec une échelle où un atome de carbone 12 aurait une masse de 12.

Pour faciliter les choses, imaginons une droite numérique. Nous savons qu’un atome de carbone 12 possède une masse de 12. Et ce qui nous a été donné sont des symboles pour les masses atomiques relatives de A et B. Je vais juste imaginer que la masse atomique relative de A est d’environ quatre et que la masse atomique relative de B est d’environ cinq. Ces chiffres n’ont pas d’importance. Il est juste utile de le dessiner.

Pour calculer la masse moléculaire relative, nous devons faire la somme des masses atomiques relatives des constituants de la formule. Avec la formule AB2, nous avons un A et deux B. Par conséquent, notre masse moléculaire relative est égale à un fois la masse atomique relative de A plus deux fois la masse atomique relative de B.

Nous pouvons imaginer cela sur notre diagramme, où nous devenons progressivement plus lourds à mesure que nous nous déplaçons vers la droite. Nous avons un fois la masse atomique relative de A et deux fois la masse atomique relative de B. Puisque nous allons multiplier la masse atomique relative de A par un, nous pouvons simplement supprimer un et simplifier notre réponse en disant que la masse moléculaire relative est égale à la masse atomique relative de A plus deux fois la masse atomique relative de B.

Maintenant, il est temps de passer en revue les points clés. Que nous fassions les choses de manière relative ou directe, nous comparons les masses d’atomes, d’ions et de formules avec la masse de l’atome de carbone 12. L’unité de masse atomique unifiée est équivalente à un douzième de la masse d’un atome de carbone 12. La masse atomique moyenne d’un élément est la masse moyenne d’un atome de cet élément en unités de masse atomique unifiée. Pour le carbone, la masse atomique moyenne est de 12,011 unités de masse atomique unifiée. Si vous voulez la masse atomique relative, il vous suffit de supprimer les unités de u.

La masse moléculaire est une masse d’une seule unité de formule en unités de masse atomique unifiée. Nous pouvons calculer la masse moléculaire en additionnant les masses atomiques moyennes des constituants. Ou nous pouvons obtenir la masse moléculaire relative en additionnant les masses atomiques relatives.

Et enfin, la masse moléculaire est simplement la masse appliquée à une molécule. Donc, c’est la masse d’une seule molécule en unités de masse atomique unifiée. Le calcul est identique. À la fin, vous pouvez supprimer les unités de u pour obtenir la masse moléculaire relative. Et vous pouvez voir ces termes abrégés.

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