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Atomes et molécules

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Les éléments

La matière est constituée d'atomes. Il y en a une centaine de différents mais une poignée seulement sont vraiment importants pour comprendre la fermentation. On parle d'élément pour désigner le type d'atome : il y a des milliards d'atomes mais seulement une centaine d'éléments. Chaque élément est representé par un symbole (une ou deux lettres). Par exemple : hydrogène (H), oxygène (O), azote (N), carbone (C), soufre (S), sodium (Na). Il est important d'écrire la seconde lettre en minuscule : CO est le monoxyde de carbone (un atome de carbone C et un atome d'oxygène O), gaz inodore, incolore et mortel et alors que Co est le cobalt (métal).

Certaines molécules sont utiles dans les explications qui suivent mais peuvent n'avoir aucun lien avec la fermentation. Le fait qu'une molécule soit citée dans ce texte ne signifie donc pas pour autant qu'elle va forcément apparaître dans la fermentation.

Chaque atome est constitué d'un noyau fait de protons et de neutrons autour duquel « gravitent » des électrons. Le nombre de protons, qui est égal au nombre d'électrons, caractérise l'élément et est appelé nombre de masse. Il vaut 1 pour l'hydrogène (H), 2 pour l'hélium (He), 93 pour l'uranium (U).

classification periodique
Classification périodique des éléments
(les éléments 58 à 71 et 90 à 103 ne sont pas représentés)

La classification périodique

Tous les éléments sont rangés dans un tableau qu'on appelle la classification périodique des éléments (ou tableau de Mendéleiev, ci-dessus). Il sont rangés par nombre de masse coissant.

Les électrons sont organisés en couches autour du noyau (un peu comme un oignon). Dans le tableau, la ligne indique le nombre de couches. Les atomes ples plus légers ont peu d'éléctrons (notés e-, le - est pour rappeler qu'il sont négatifs) et donc peu de couches : ils sont en haut de la classification. Hydrogène et hélium on une seule couche, carbone, oxygène, azote (N) en ont deux, etc. Les électrons remplissent d'abord les couches internes. Quand une couche est pleine on passe à la suivante. La première couche a une capacité de 2 électrons, la deuxième peut contenir 8 électrons, etc. L'hydrogène a 1 e-, l'hélium en a 2. Le lithium (Li) qui en a 3 a besoin d'une seconde couche pour mettre son troisième électron, on passe donc à la ligne suivante.

Sur chaque ligne les élements sont classés par ordre croissant de nombre d'électrons sur la couche externe. Les atomes qui aiment que les choses soient bien rangées n'apprécient guère d'avoir une couche à moitié vide. Ils vont donc essayer de compléter leur dernière couche (s'il ne manque que quelques électrons) ou bien ils vont essayer de la vider complètement si elle ne contient que peu d'e-. Les élements d'une même colonne ont tous le même nombre d'électrons sur leur couche externe (appelés électrons de valence). Et comme c'est cette couche qui est importante en chimie, les atomes d'une même colonne vont avoir le même genre de comportement.

Les molécules

Certains atomes préfèrent rester dans leur coin (hélium, néon, argon, etc.), on les appellent gaz rares. Ce sont les éléments de la dernière colonne, leur couche externe est pleine et ils n'ont pas de raison d'interagir avec d'autres atomes, ils sont très heureux comme ils sont. Ils sont donc peu réactifs et sont parfois appelés gaz neutres pour cette raison.

Les atomes de la première colonne (appelés alcalins) ont un électron sur la dernière couche, on dit que leur nombre d'oxydation (noté n. o.) est + I. Ceux de l'avant-dernière colonne (halogènes) ont justement besoin d'un électron pour compléter leur dernière couche (nombre d'oxydation de - I). Pas étonnant que ces atomes s'entendent. Quand ils s'associent et forment une molécule, leur problème d'électrons est résolu. Les molécules formées sont par exemple HCl (acide chlorhydrique), NaCl (sel de cuisine), etc.

molécule d'eau molécule d'ethanol
Molécules d'eau et éthanol [B1]

Ceux de l'antepénultième colonne vont de même s'associer avec les atomes de la deuxième colonne (alcalino-terreux) : MgO (magnésie), etc. Ils peuvent aussi s'associer à deux atomes de la première colonne : H2O (eau, figure 2), H2S, NaOH (soude caustique), etc. L'indice 2 dans H2O indique que la molécule est formée de 2 atomes d'hydrogène pour un atome d'oxygène.

Il est aussi possible que les atomes  s'associent à d'autres atomes de la même espèce que la leur pour former des molécules : O2 (oxygène de l'air), O3 (ozone), N2 (azote de l'air), etc. Ou bien ils s'associent avec des atomes différents : CO2 (gaz carbonique), CaCO3 (calcaire), CH4 (méthane), C2H5OH (éthanol, figure 2), etc. en mettant en commun leurs électrons. Ces électrons seront considérés comme apparteneant aux deux atomes. Par exemple, l'oxygène a 6 e- sur sa couche externe : le nombre de masse est 8, il y a donc 8 électrons au total, on remplit d'abord la première couche avec 2 électrons, il y en a donc 6 sur la couche externe. 2 atomes d'oxygène ont, a eux deux, 12 e- en tout. Ça fait 4 chacun plus 4 en commun. Le total fait bien douze et chaque atome considère que les atomes communs sont à lui donc qu'il a 4 + 4 = 8 électrons sur sa couche externe. Les atomes d'oxygène sont donc plus heureux dans une molécule d'O2 (oxygène de l'air) que tout seuls.

Quand les atomes forment des molécules pour avoir un nombre d'oxydation total de 0, on parle de molécule ionique. Quand ils mettent en commun un ou plusieurs électrons, la molécule est dite covalente.

Chimie organique

C'est la chimie du carbone, parce que le carbone est le principal constituant des composés organiques.  C'est la chimie du vivant parce que ces molécules sont produites et utilisées par les êtres vivants.

Quand on ajoute des atomes d'oxygène aux chaines carbonées, on obtient ce qu'on appelle des fonctions (acide, alcool, etc.) qui vont caractériser la molécule. La figure 3 montre les principales fonctions. Le R représente une chaine carbonée (appelée radical). Toutes les molécules ayant la même fonction se ressembleront un peu.

C'est comme pour la conjugaison, pour savoir à quel groupe un verbe appartient et donc comment le conjuguer on regarde la terminaison. Généralement le radical du verbe ne change pas la façon de le conjuguer. De même les molécules ayant la même fonction vont avoir la même chimie. Il va y avoir des différences (l'éthanol est l'alcool produit par la fermentation, le méthanol est un autre alcool qui lui est toxique) mais les réactions chimiques seront à peu près les mêmes. La réaction d'esterification par exemple est généralement écrite sous la forme :

R1-COOH + R2-OH R1-COO-R1 + H2O

où les radicaux R1 et R2 peuvent être à peu près n'importe quelles chaînes carbonées, ils ne vont pas modifier la réaction.

Ainsi un atome d'oxygène et un atome d'hydrogène en bout de chaine donneront un alcool, toutes les molécules ayant ce groupement OH se ressembleront un peu. On obtient le nom de l'alcool en ajoutant le suffixe -ol au nom de la chaine carbonée. Par exemple, l'éthanol est un groupe éthyl (C2H5) plus le groupe -OH caractéristique des alcools.

Un groupe -COOH caractérise les acides organiques (voir les acides tartrique et malique et l'acide acétique). Les noms sont de la forme « acide xxx­ique ». On n'utilise pas pour eux une nomen­cla­ture très précise basée sur leur formule chimique, les noms viennent souvent de la provenance de l'acide : l'acide formique est l'acide produit par les fourmis, l'acide citrique est celui des citrons, etc.

Le principal aldéhyde qui intéresse la fermentation est l'acétaldéhyde qui est produit par les levures au cours de la fermentation et qui sera ensuite transformé en éthanol. Il n'en reste donc plus ou presque plus à la fin de la fermentation.

Les esters sont des produits naturels de la fermentation. Il s'en forme d'autant plus que la température de fermentation est élevée.

molécules d'acide, d'alcool, d'aldéhyde et d'ester
Acide, alcool, aldéhyde, ester (le 'R' représente un radical)

On peut trouver des livres ou sites internet entiers sur le sujet, voir par exemple B16 pour plus de détails.

Les ions

Ces atomes et molécules sont électriquement neutres, c'est-à-dire qu'ils ont autant d'électrons (négatifs) que de protons (positifs). Quand ils sont en solution aqueuse (dans de l'eau) ils peuvent céder un électron ou gagner un électron, ils sont alors appelés des ions. Les ions ne sont pas électriquement neutres : ils ont soit un excès d'électrons (ils sont alors chargés négativement, et sont appelés anions) soit un deficit d'électrons (charge positive, ils sont appelés cations).

Si on verse des cristaux de sel dans de l'eau, le sel va se dissoudre, c'est-à-dire qu'on aura pas du sel d'un côté et de l'eau de l'autre (ce qui se passe par exemple avec du sable : le sable ne se dissoud pas dans l'eau et reste à l'état solide). Le sel (NaCl) va se scinder en ions Na+ et Cl-. On a vu que le sodium (Na) est dans la première colonne, il a donc tendance à chercher à perdre un électron alors que le chlore (Cl) est dans l'avant-dernière colonne et cherche à gagner 1 e-.

L'indice (chiffre en bas) indique le nombre d'atomes, l'exposant (en haut) indique la charge. Ca2+ signifie : un atome de calcium avec une double charge positive. Ca2+, qui n'existe pas, serait 2 atomes de calcium avec une charge positive. Il faut donc être attentif car les conventions sont précises et une écriture un peu différente peut signifier quelque chose de complètement différent.


26 mai 2002