Vidéo de la leçon: Formules chimiques Chimie

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à représenter de nombreux composés chimiques que nous rencontrons en chimie. Nous allons apprendre à écrire et à interpréter les notations utilisées dans les formules chimiques. Et nous allons apprendre à nommer différents types de composés.

Toute la matière est composée de différentes combinaisons d’atomes qui s’ordonnent en proportions spécifiques pour former des composés, ce qui signifie que nous rencontrons chaque jour des centaines et des centaines de composés chimiques. Si nous voulons faire référence à tous ces composés en tant que scientifiques, nous allons avoir besoin d’utiliser un moyen précis et concret afin que nous soyons tous sur la même longueur d’onde.

Et comme tous les composés sont constitués d’une proportion spécifique d’atomes, il serait utile que le langage utilisé indique aussi la composition atomique du composé. Par exemple, intéressons-nous à un composé que nous connaissons tous, l’eau. Une molécule d’eau est toujours composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Comment représenter cette molécule autrement qu’en l’appelant « eau »? Puisque nous voudrions un moyen de faire référence à la composition atomique de l’eau, pourquoi ne pas donner le nom complet de chaque élément et l’appeler : la molécule composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène ?

Mais cela fait beaucoup de mots. Nous ne voudrions probablement pas écrire cela à chaque fois que l’eau participe à une réaction chimique. Nous pourrions peut-être abréger un peu en utilisant les symboles chimiques des atomes que nous voyons dans le tableau périodique : H pour l’hydrogène, et O pour l’oxygène. Cela parait beaucoup plus gérable. En utilisant ces symboles chimiques pour les éléments présents dans un composé, nous avons un moyen de faire référence au type d’atomes d’un composé. Alors maintenant, nous avons juste besoin d’un moyen de faire référence au nombre de chaque type d’atome présent dans un composé.

Comme nous l’avons mentionné précédemment, chaque entité d’eau, une molécule d’eau, contient deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène. Nous pourrions penser à différentes manières de faire apparaitre ces nombres : par exemple utiliser un rapport, ou écrire deux H un O, ou en utilisant des exposants ou des indices. Eh bien, il s’avère que, par convention, nous utilisons des indices pour indiquer le nombre d’atomes. Mais quand nous n’avons qu’un seul atome dans un composé, comme c’est le cas avec l’oxygène, nous laissons tomber l’indice, ce qui nous donne H2O. Nous sommes arrivés à ce que nous appelons la formule chimique de l’eau.

Les formules chimiques nous indiquent le type et le nombre de chaque atome présent dans une unité d’un composé. Pour indiquer le type d’atomes qui se trouvent dans un composé, nous utilisons les symboles chimiques. Et pour indiquer le nombre d’atomes dans un composé, nous utilisons des indices. Mais comment faisons-nous si nous avons plus d’une molécule d’eau ? Et si nous en avons deux ? Comment inclure cela dans notre formule chimique ? Nous pourrions essayer de mettre le nombre total d’atomes dans notre formule, ce qui nous donnerait H4O2. Mais cela pourrait prêter à confusion, car cela pourrait indiquer un composé qui a quatre atomes d’hydrogène et deux atomes d’oxygène. Donc au lieu de cela, indiquons plutôt le nombre d’unités d’un composé devant la formule chimique. Donc, si nous avons deux molécules d’eau, nous écrirons 2H2O.

Avec cela, nous connaissons les principes des formules chimiques. Mais examinons certains détails, afin de pouvoir créer et nommer en toute confiance les formules chimiques de quelques-uns des différents types de substances que nous pourrions rencontrer en chimie. Avec notre exemple de l’eau, nous avons parlé de composés dont les atomes se lient de manière covalente pour former une molécule. Ces composés sont constitués d’éléments chimiques non métalliques, qui se trouvent principalement à droite dans le tableau périodique. Contrairement à l’eau, les molécules n’ont pas toutes un nom commun. Nous avons donc besoin d’un moyen de les nommer en fonction de leur composition atomique.

Dans cette vidéo, nous allons nous concentrer sur la façon de nommer des molécules composées de deux éléments. L’élément le plus électronégatif de notre molécule sera nommé en premier, aura la fin de son nom remplacée par « –ure » (ou « -yde » si l’on considère l’oxygène) et sera suivi de la préposition « de ». Il sera suivi par le nom de l’élément le moins électronégatif. En raison de l’évolution de l'électronégativité dans le tableau périodique, nous nommons généralement l'élément avec le numéro de groupe le plus élevé en premier. Et si les éléments appartiennent au même groupe, l’élément avec le numéro de période le plus élevé viendra généralement en premier. Bien que ces deux règles de base, avec le numéro de période et le numéro de groupe, nous emmènent assez loin pour dénommer des molécules, cela ne fonctionnera pas si nous avons un composé contenant du chlore, du brome ou de l’iode avec de l’oxygène, car dans ce cas l’oxygène sera nommé en premier.

Nous utiliserons ensuite des préfixes numériques grecs pour indiquer le nombre d’atomes de chaque élément. Cependant, généralement, nous n’incluons pas de préfixe sur le deuxième terme s’il n’y en a qu’un atome. Maintenant que nous connaissons les règles, entrainons-nous à nommer une molécule. Observons cette molécule, qui est composée d’un atome de carbone et de deux atomes d’oxygène. Le carbone est moins électronégatif que l’oxygène et il se trouve dans le groupe 14 du tableau périodique, tandis que l’oxygène se trouve dans le groupe 16. Donc, dans le nom de cette molécule le carbone apparaîtra en second, bien que ce soit le contraire dans la formule chimique, où il est noté en premier. Et puisqu’il y a un atome de carbone et deux atomes d’oxygène, la formule chimique de cette molécule est : CO2. L’oxygène est nommé en premier, contrairement à la formule chimique, et nous remplaçons la fin de son nom par « -yde ».

Le carbone apparaitra en second dans le nom de cette molécule. Enfin, nous utilisons des préfixes numériques grecs pour préciser combien d’atomes de chaque type se trouvent dans la molécule. Il y a un carbone, ce qui correspond à « mono- » ; et deux oxygènes, ce qui correspond à « di- ». Mais comme il n’y a qu’un seul carbone dans la molécule, nous pouvons laisser tomber le préfixe « mono- » et nous obtenons le nom de « dioxyde de carbone ».

Faisons maintenant l’inverse : essayons de trouver la formule chimique d’un composé à partir de son nom. Essayons le monoxyde de diazote. Vous remarquerez en passant que nous laissons tomber ici la double voyelle ; nous avons « monoxyde » au lieu du « monooxyde ». Cela arrive fréquemment lorsque nous nommons des composés chimiques. De ce nom, nous savons que l’azote est l’un des éléments de ce composé. Et comme il porte le préfixe « di- », il doit y en avoir deux. L’oxyde correspond à l’élément oxygène. Il doit donc être le deuxième élément de notre molécule. Le préfixe « mono- » indique qu’il y en a un. Comme toujours, nous laisserons tomber l’indice dans notre formule chimique. En inversant l’ordre pour donner la formule chimique, nous obtenons N2O pour la molécule de monoxyde de diazote.

Nous en avons terminé avec les bases relatives à la dénomination et à l’identification des composés reliés par liaison covalente. A présent, parlons un peu de l’autre catégorie majeure composés que nous rencontrerons en chimie : les composés ioniques. Les composés ioniques sont composés de cations chargés positivement, et d’anions chargés négativement, maintenus ensemble par des forces d’attraction.

En étudiant les composés moléculaires, nous avons pu voir que de nombreux composés pouvaient être constitués de deux éléments identiques. Par exemple, voici quelques-uns de ces composés pouvant être constitués d’azote et d’oxygène. Mais dans les composés ioniques, les cations et les anions se combinent dans des proportions spécifiques pour former un composé globalement neutre. Et comme les composés ioniques se combinent toujours dans des proportions spécifiques d’ions, nous n’aurons pas besoin d’utiliser les préfixes numériques grecs. Nous devrons simplement déterminer le nombre d’ions présents dans une unité de composé à partir des charges des ions, ce qui signifie que nous devrons connaître les charges des ions dans notre composé pour écrire leur formule.

Voici donc quelques ions communs et leurs charges. Souvenez-vous que les éléments ont tendance à former des ions qui auront la même configuration électronique que celle d’un gaz noble. En chimie, nous rencontrerons deux types principaux de composés ioniques. Le premier est le plus simple. Il est composé uniquement d’ions monoatomiques. « Monoatomique » signifie simplement que les ions sont dérivés d’un seul atome. Le sel de table est un exemple de ce type de composé. Il est constitué de cations du sodium chargés positivement et d’anions du chlore chargés négativement.

Nous rencontrerons également des composés ioniques constitués d’un ou de plusieurs types d’ions polyatomiques, qui sont des ensembles d’atomes liés par covalence qui possèdent une charge. On rencontre de nombreux ions polyatomiques en chimie. En voici juste quelques-uns ainsi que leurs noms. Pour nommer des composés ioniques, on nomme toujours l’anion en premier puis le cation. Et nous utilisons le suffixe « -ure » si l’anion est monoatomique. Alors maintenant que nous connaissons les règles, essayons de nommer certains composés ioniques et de déterminer leur formule chimique.

Revenons à notre exemple de sel de table, composé de cations du sodium chargés positivement et d’anions du chlore chargés négativement. Puisque le chlore est ici l’anion, nous le nommons en premier, il est suivi du nom du cation, le sodium. Et comme le chlore n’est pas un anion polyatomique - il provient simplement d’un atome - nous remplacerons la fin de son nom par « -ure », ce qui nous donnera le nom chlorure de sodium. Trouvons maintenant sa formule chimique. Nous devrons nous assurer que nous nous obtiendrons un composé globalement neutre. Donc, la charge positive du sodium doit équilibrer la charge négative du chlore.

Étant donné que le cation sodium a une charge de un plus et que l’anion chlorure a une charge de un moins, il faudra un ion sodium pour chaque ion chlorure pour obtenir une charge neutre. Puisque nous n’avons besoin que d’un sodium par chlore, nous obtiendrons la formule chimique NaCl pour le chlorure de sodium.

Essayons-en un autre : un composé ionique constitué d’un cation calcium chargé positivement, et de l’anion nitrate polyatomique chargé négativement. Puisque le nitrate est l’anion, on le nommera en premier. Et le calcium étant le cation, on le nommera en second. Et comme il s’agit d’un anion polyatomique, il est inutile de remplacer la fin de son nom par « -ure ». Son nom sera donc nitrate de calcium. Nous devons maintenant déterminer combien d’ion de chaque nous aurons dans notre formule chimique pour obtenir une charge globale neutre. L’ion calcium a une charge de deux plus, et l’ion nitrate a une charge de un moins.

Nous voyons tout de suite que nous aurons besoin de deux anions nitrate pour équilibrer la charge positive du cation calcium, ce qui nous donnerait une proportion d’un cation calcium pour deux anions nitrate. Mais si cela ne nous saute pas aux yeux directement, ou si nous avons affaire à un composé ionique plus compliqué, nous pouvons utiliser l’astuce suivante pour trouver la formule chimique : nous permutons les charges et les utilisons comme indice pour l’autre ion. Dans un cas comme dans l’autre, nous aurons besoin d’un ion calcium pour deux ions nitrate, ce qui nous donne la formule chimique CaNO32. Mais il ne faut pas laisser supposer qu’on a un atome de calcium, un atome d’azote et 32 atomes d’oxygène dans notre composé. Nous allons ajouter des parenthèses de part et d’autre de l’anion polyatomique pour préciser que nous parlons de deux groupes nitrate dans notre composé. Il y a une dernière chose qu’il est important de préciser avant de terminer avec les composés ioniques.

Vous avez peut-être remarqué que certains éléments peuvent former plusieurs ions avec des charges différentes, comme le fer et le cuivre. Pour faire la différence entre ces ions, nous pouvons utiliser des chiffres romains entre parenthèses après le nom de l’élément. Ainsi, Fe2+ sera appelé fer(II) et Fe3+ sera appelé fer(III). Cela signifie bien sûr qu’il y aura deux composés contenant du fer et du chlore, par exemple. Mais comme dans les composés ioniques, les ions se combinent dans des proportions spécifiques en fonction de leur charge, nous devrions pouvoir déterminer à quel cation nous avons affaire en fonction de la formule chimique. Après avoir vu toutes ces règles pour nommer les composés, il convient de mentionner que certains d’entre eux ont des noms qui ne suivent pas les règles.

Par exemple, de nombreux composés ont des noms communs. Nous en avons déjà rencontré un. H2O est toujours appelé « eau », et non « monoxyde de dihydrogène ». De même, NH3 est toujours appelé « ammoniac », et non « trihydrure d’azote ». C’est plus souvent le cas avec des composés que les scientifiques ont découverts il y a longtemps, avant que la convention pour nommer les choses en chimie ait été normalisée. Un autre exemple est le composé TiO2, que l’on trouve très souvent dans les crèmes solaires.

Ti est le symbole chimique du titane, l’un des métaux pouvant former plusieurs ions avec des charges différentes. Si nous voulions déterminer la charge du titane à partir de la formule chimique, nous trouverions que le titane a ici une charge de plus quatre. Ce composé devrait donc s’appeler oxyde de titane(IV). Et bien qu’effectivement certaines personnes appellent ce composé « oxyde de titane (IV) », si vous regardez au dos de votre tube de crème solaire, vous verrez qu’il porte plutôt le nom de « dioxyde de titane ». Mais malgré cela, la majorité des composés que nous rencontrerons en chimie suivront les règles que nous avons apprises dans cette vidéo.

Alors, maintenant que nous connaissons toutes ces règles, voyons en exemple quelques problèmes.

Combien y a-t-il d’atomes d’hydrogène dans une molécule de méthane, CH4 ?

C’est la formule chimique de la molécule de méthane. La formule chimique nous indique le type et le nombre d’atomes qui se trouvent dans une unité d’un composé. Nous indiquons le type d’atome en utilisant les symboles chimiques pour chaque élément du tableau périodique. Et nous indiquons le nombre de chaque type d’atome en utilisant des indices. Ainsi, à partir de la formule chimique CH4, nous pouvons dire que le méthane contient du carbone et de l’hydrogène.

Si nous regardons les indices, nous constatons que le carbone n’en a pas. C’est parce que, selon la convention, nous faisons abstraction du un dans la formule chimique s’il n’y a qu’une unité de l’atome considéré dans un composé. Cela signifie donc qu’il y a un atome de carbone dans une molécule de méthane. Et nous pouvons voir qu’il y a l’indice quatre à côté de l’hydrogène, ce qui signifie qu’il y a quatre atomes d’hydrogène dans le méthane. Dans cette question, on nous demande combien il y a d’atomes d’hydrogène dans une molécule de méthane. Et comme nous venons de l’expliquer, il y en a quatre.

Quel serait le nom d’un composé contenant un atome de chlore et deux atomes d’oxygène ?

Dans cette question, il s’agit de nommer un composé qui contient du chlore et de l’oxygène. Le chlore et l’oxygène sont tous deux des non-métaux qui se trouvent à droite dans le tableau périodique, cela signifie qu’ils formeront un composé moléculaire. Lorsque nous nommons des composés moléculaires, nous nommons en premier l’élément le plus électronégatif, sauf en présence d’oxygène, nous nommons l’élément oxygène en premier auquel nous ajoutons le suffixe « -yde » et suivons de la préposition « de ». Ensuite nous nommons l’autre élément à la suite. Nous utiliserons enfin les préfixes numériques grecs pour indiquer le nombre d’atomes que nous avons dans un composé.

Le chlore étant moins électronégatif que l’oxygène, nous allons donc commencer par l’oxygène, remplacer la fin du nom par le suffixe « -yde », et ajouter la préposition « de ». Ensuite, nous faisons suivre l’autre atome, le chlore. Enfin, nous utiliserons des préfixes grecs pour indiquer le nombre d’atomes. Nous avons un atome de chlore, ce qui correspond à « mono- », et deux atomes d’oxygène. Par convention, nous faisons abstraction du préfixe s’il n’y a qu’un atome du second élément. En laissant tomber le « mono- », nous obtenons du dioxyde de chlore.

Résumons cette vidéo avec les points clés. Les formules chimiques indiquent le type et le nombre d’atomes d’un composé grâce à des symboles chimiques et à des indices. Si nous avons plus d’une unité d’un composé, nous plaçons ce nombre devant la formule chimique. Lorsque nous nommons des molécules, l’élément le plus électronégatif est généralement nommé en premier. Lorsque nous nommons des composés ioniques, l’anion est nommé en premier. On utilise les chiffres romains pour distinguer les éléments qui forment plusieurs ions.