Éléments et composés

Toute la matière du monde naturel est composée d'une ou plusieurs des 92 substances fondamentales appelées éléments. Un élément (element) est une substance pure qui se distingue de toute autre matière par le fait qu'elle ne peut être créée ni décomposée par des moyens chimiques ordinaires. Bien que votre corps puisse assembler de nombreux composés chimiques nécessaires à la vie à partir de leurs éléments constitutifs, il ne peut pas fabriquer d'éléments. Ceux-ci doivent provenir de l'environnement. Un exemple familier d'élément que vous devez ingérer est le calcium (Ca). Le calcium est essentiel au corps humain ; il est absorbé et utilisé pour un certain nombre de processus, y compris le renforcement des os. Lorsque vous consommez des produits laitiers, votre système digestif décompose les aliments en composants suffisamment petits pour passer dans la circulation sanguine. Parmi ceux-ci se trouve le calcium, qui, parce que c'est un élément, ne peut être décomposé davantage. Le calcium élémentaire dans le fromage est donc le même que le calcium qui forme vos os. D'autres éléments que vous connaissez peut-être sont l'oxygène, le sodium et le fer. Les éléments du corps humain sont présentés dans la Figure 2.2, en commençant par les plus abondants : l'oxygène (O), le carbone (C), l'hydrogène (H) et l'azote (N). Le nom de chaque élément peut être remplacé par un symbole d'une ou deux lettres ; vous vous familiariserez avec certains d'entre eux au cours de ce cours. Tous les éléments de votre corps proviennent des aliments que vous mangez et de l'air que vous respirez.

Figure 2.2 Éléments du corps humain Les principaux éléments qui composent le corps humain sont présentés du plus abondant au moins abondant.

Dans la nature, les éléments se trouvent rarement seuls. Au lieu de cela, ils se combinent pour former des composés. Un composé (compound) est une substance composée de deux ou plusieurs éléments unis par des liaisons chimiques. Par exemple, le composé glucose est un important carburant corporel. Il est toujours composé des trois mêmes éléments : le carbone, l'hydrogène et l'oxygène. De plus, les éléments qui constituent un composé donné se trouvent toujours dans les mêmes proportions relatives. Dans le glucose, il y a toujours six unités de carbone et six unités d'oxygène pour douze unités d'hydrogène. Mais que sont, exactement, ces « unités » d'éléments ?

Atomes et particules subatomiques

Un atome (atom) est la plus petite quantité d'un élément qui conserve les propriétés uniques de cet élément. En d'autres termes, un atome d'hydrogène est une unité d'hydrogène — la plus petite quantité d'hydrogène qui puisse exister. Comme vous pouvez le deviner, les atomes sont presque insondablement petits. Le point à la fin de cette phrase a une largeur de millions d'atomes.

Structure atomique et énergie

Les atomes sont constitués de particules subatomiques encore plus petites, dont trois types sont importants : le proton (proton), le neutron (neutron) et l'électron (electron). Le nombre de protons chargés positivement et de neutrons non chargés (« neutres ») donne de la masse à l'atome, et le nombre de protons détermine l'élément. Le nombre d'électrons chargés négativement qui « tournent » autour du noyau à une vitesse proche de celle de la lumière est égal au nombre de protons. Un électron a environ 1/2000e de la masse d'un proton ou d'un neutron.

La Figure 2.3 présente deux modèles qui peuvent vous aider à imaginer la structure d'un atome — dans ce cas, l'hélium (He). Dans le modèle planétaire, les deux électrons de l'hélium sont représentés en orbite autour du noyau dans une orbite fixe dépeinte comme un anneau. Bien que ce modèle soit utile pour visualiser la structure atomique, en réalité, les électrons ne se déplacent pas sur des orbites fixes, mais tourbillonnent de manière erratique autour du noyau dans ce qu'on appelle un nuage électronique.

Figure 2.3 Deux modèles de structure atomique (a) Dans le modèle planétaire, les électrons de l'hélium sont représentés sur des orbites fixes, dépeintes comme des anneaux, à une distance précise du noyau, un peu comme des planètes en orbite autour du soleil. (b) Dans le modèle du nuage électronique, les électrons de l'hélium sont représentés dans la variété des emplacements qu'ils auraient à différentes distances du noyau au fil du temps.

Les protons et les électrons d'un atome portent des charges électriques. Les protons, avec leur charge positive, sont désignés p⁺. Les électrons, qui ont une charge négative, sont désignés e^–. Les neutrons d'un atome n'ont pas de charge : ils sont électriquement neutres. Tout comme un aimant adhère à un réfrigérateur en acier parce que leurs charges opposées s'attirent, les protons chargés positivement attirent les électrons chargés négativement. Cette attraction mutuelle confère à l'atome une certaine stabilité structurelle. L'attraction par le noyau chargé positivement aide à empêcher les électrons de s'éloigner. Le nombre de protons et d'électrons au sein d'un atome neutre est égal, ainsi, la charge globale de l'atome est équilibrée.

Numéro atomique et nombre de masse

Un atome de carbone est propre au carbone, mais un proton de carbone ne l'est pas. Un proton est identique à un autre, qu'il se trouve dans un atome de carbone, de sodium (Na) ou de fer (Fe). Il en va de même pour les neutrons et les électrons. Alors, qu'est-ce qui confère à un élément ses propriétés distinctives — qu'est-ce qui rend le carbone si différent du sodium ou du fer ? La réponse est la quantité unique de protons que chacun contient. Le carbone, par définition, est un élément dont les atomes contiennent six protons. Aucun autre élément n'a exactement six protons dans ses atomes. De plus, tous les atomes de carbone, qu'ils se trouvent dans votre foie ou dans un morceau de charbon, contiennent six protons. Ainsi, le numéro atomique (atomic number), qui est le nombre de protons dans le noyau de l'atome, identifie l'élément. Puisqu'un atome a généralement le même nombre d'électrons que de protons, le numéro atomique identifie également le nombre habituel d'électrons.

Dans leur forme la plus courante, de nombreux éléments contiennent également le même nombre de neutrons que de protons. La forme la plus courante de carbone, par exemple, a six neutrons ainsi que six protons, pour un total de 12 particules subatomiques dans son noyau. Le nombre de masse (mass number) d'un élément est la somme du nombre de protons et de neutrons dans son noyau. Ainsi, le nombre de masse de la forme la plus courante de carbone est de 12. (Les électrons ont une masse si faible qu'ils ne contribuent pas de manière appréciable à la masse d'un atome.) Le carbone est un élément relativement léger. L'uranium (U), en revanche, a un nombre de masse de 238 et est appelé métal lourd. Son numéro atomique est de 92 (il a 92 protons) mais il contient 146 neutrons ; il a la masse la plus élevée de tous les éléments naturels.

Le tableau périodique des éléments (periodic table of the elements), présenté dans la Figure 2.4, est un tableau identifiant les 92 éléments trouvés dans la nature, ainsi que plusieurs éléments plus grands et instables découverts expérimentalement. Les éléments sont arrangés par ordre de leur numéro atomique, avec l'hydrogène et l'hélium en haut du tableau, et les éléments plus massifs en dessous. Le tableau périodique est un outil utile car pour chaque élément, il identifie le symbole chimique, le numéro atomique et le nombre de masse, tout en organisant les éléments selon leur propension à réagir avec d'autres éléments. Le nombre de protons et d'électrons dans un élément sont égaux. Le nombre de protons et de neutrons peut être égal pour certains éléments, mais pas pour tous.

Figure 2.4 Le tableau périodique des éléments (source : R.A. Dragoset, A. Musgrove, C.W. Clark, W.C. Martin)

Lien interactif

Visitez ce site web pour consulter le tableau périodique. Dans le tableau périodique des éléments, les éléments d'une même colonne ont le même nombre d'électrons pouvant participer à une réaction chimique. Ces électrons sont appelés « électrons de valence ». Par exemple, les éléments de la première colonne ont tous un seul électron de valence, un électron qui peut être « donné » lors d'une réaction chimique avec un autre atome. Quelle est la signification d'un nombre de masse indiqué entre parenthèses ?

Isotopes

Bien que chaque élément ait un nombre unique de protons, il peut exister sous forme de différents isotopes. Un isotope (isotope) est l'une des différentes formes d'un élément, se distinguant les unes des autres par des nombres différents de neutrons. L'isotope standard du carbone est le ¹²C, communément appelé carbone douze. Le ¹²C a six protons et six neutrons, pour un nombre de masse de douze. Tous les isotopes du carbone ont le même nombre de protons ; par conséquent, le ¹³C a sept neutrons, et le ¹⁴C a huit neutrons. Les différents isotopes d'un élément peuvent également être indiqués avec le nombre de masse sous forme de trait d'union (par exemple, C-12 au lieu de ¹²C). L'hydrogène a trois isotopes courants, présentés dans la Figure 2.5.

Figure 2.5 Isotopes de l'hydrogène Le protium, désigné ¹H, a un proton et aucun neutron. C'est de loin l'isotope le plus abondant de l'hydrogène dans la nature. Le deutérium, désigné ²H, a un proton et un neutron. Le tritium, désigné ³H, a deux neutrons.

Un isotope qui contient plus que le nombre habituel de neutrons est appelé isotope lourd. Un exemple est le ¹⁴C. Les isotopes lourds ont tendance à être instables, et les isotopes instables sont radioactifs. Un isotope radioactif (radioactive isotope) est un isotope dont le noyau se désintègre facilement, émettant des particules subatomiques et de l'énergie électromagnétique. Différents isotopes radioactifs (également appelés radio-isotopes) diffèrent par leur demi-vie, le temps qu'il faut pour que la moitié d'un échantillon d'isotope, quelle que soit sa taille, se désintègre. Par exemple, la demi-vie du tritium — un radio-isotope de l'hydrogène — est d'environ 12 ans, indiquant qu'il faut 12 ans pour que la moitié des noyaux de tritium d'un échantillon se désintègrent. Une exposition excessive aux isotopes radioactifs peut endommager les cellules humaines et même provoquer des cancers et des malformations congénitales, mais lorsque l'exposition est contrôlée, certains isotopes radioactifs peuvent être utiles en médecine. Pour plus d'informations, consultez les Liens avec les carrières.

Lien avec les carrières

Radiologue interventionnel

L'utilisation contrôlée des radio-isotopes a fait progresser le diagnostic médical et le traitement des maladies. Les radiologues interventionnels sont des médecins qui traitent les maladies en utilisant des techniques mini-invasives impliquant des radiations. De nombreuses affections qui ne pouvaient autrefois être traitées que par une opération longue et traumatisante peuvent désormais être traitées de manière non chirurgicale, réduisant le coût, la douleur, la durée du séjour à l'hôpital et le temps de récupération pour les patients. Par exemple, dans le passé, les seules options pour un patient atteint d'une ou plusieurs tumeurs au foie étaient la chirurgie et la chimiothérapie (l'administration de médicaments pour traiter le cancer). Certaines tumeurs hépatiques, cependant, sont difficiles d'accès chirurgicalement, et d'autres pourraient nécessiter que le chirurgien retire une trop grande partie du foie. De plus, la chimiothérapie est très toxique pour le foie, et certaines tumeurs n'y répondent de toute façon pas bien. Dans certains de ces cas, un radiologue interventionnel peut traiter les tumeurs en perturbant leur apport sanguin, dont elles ont besoin pour continuer à croître. Dans cette procédure, appelée radioembolisation, le radiologue accède au foie avec une fine aiguille, enfilée à travers l'un des vaisseaux sanguins du patient. Le radiologue insère ensuite de minuscules « graines » radioactives dans les vaisseaux sanguins qui alimentent les tumeurs. Dans les jours et les semaines suivant la procédure, le rayonnement émis par les graines détruit les vaisseaux et tue directement les cellules tumorales à proximité du traitement.

Les radio-isotopes émettent des particules subatomiques qui peuvent être détectées et suivies par les technologies d'imagerie. L'une des utilisations les plus avancées des radio-isotopes en médecine est le scanner de tomographie par émission de positons (TEP), qui détecte l'activité dans le corps d'une très petite injection de glucose radioactif, le sucre simple que les cellules utilisent pour l'énergie. La caméra TEP révèle à l'équipe médicale quels tissus du patient absorbent le plus de glucose. Ainsi, les tissus les plus métaboliquement actifs apparaissent comme des « points chauds » lumineux sur les images (Figure 2.6). La TEP peut révéler certaines masses cancéreuses car les cellules cancéreuses consomment du glucose à un rythme élevé pour alimenter leur reproduction rapide.

Figure 2.6 Scan TEP La TEP met en évidence les zones du corps où l'utilisation du glucose est relativement élevée, ce qui est caractéristique des tissus cancéreux. Ce scan TEP montre les sites de propagation d'une grande tumeur primaire vers d'autres sites.

Le comportement des électrons

Dans le corps humain, les atomes n'existent pas en tant qu'entités indépendantes. Au lieu de cela, ils réagissent constamment avec d'autres atomes pour former et décomposer des substances plus complexes. Pour comprendre pleinement l'anatomie et la physiologie, vous devez saisir comment les atomes participent à de telles réactions. La clé est de comprendre le comportement des électrons.

Bien que les électrons ne suivent pas d'orbites rigides à une distance fixe du noyau de l'atome, ils ont tendance à rester dans certaines régions de l'espace appelées couches électroniques. Une couche électronique (electron shell) est une couche d'électrons qui entoure le noyau à un niveau d'énergie distinct.

Les atomes de la plupart des éléments essentiels trouvés dans le corps humain ont d'une à cinq couches électroniques, et ces couches électroniques contiennent au moins huit électrons, sauf la première couche, qui ne peut en contenir que deux. Le nombre précis de couches dépend du nombre d'électrons dans l'atome. L'hydrogène et l'hélium n'ont qu'un et deux électrons, respectivement. Si vous jetez un coup d'œil au tableau périodique des éléments, vous remarquerez que l'hydrogène et l'hélium sont placés seuls de chaque côté de la rangée supérieure ; ce sont les seuls éléments qui n'ont qu'une seule couche électronique (Figure 2.7). Une deuxième couche est nécessaire pour contenir les électrons de tous les éléments plus grands que l'hydrogène et l'hélium.

Le lithium (Li), dont le numéro atomique est 3, a trois électrons. Deux d'entre eux remplissent la première couche électronique, et le troisième déborde dans une deuxième couche. La deuxième couche électronique peut accueillir jusqu'à huit électrons. Le carbone, avec ses six électrons, remplit entièrement sa première couche, et à moitié sa seconde. Avec dix électrons, le néon (Ne) remplit entièrement ses deux couches électroniques. Encore une fois, un coup d'œil au tableau périodique révèle que tous les éléments de la deuxième rangée, du lithium au néon, n'ont que deux couches électroniques. Les atomes avec plus de dix électrons nécessitent plus de deux couches. Ces éléments occupent les troisième et suivantes rangées du tableau périodique.

Figure 2.7 Couches électroniques Les électrons orbitent autour du noyau atomique à des niveaux d'énergie distincts appelés couches électroniques. (a) Avec un électron, l'hydrogène ne remplit qu'à moitié sa couche électronique. L'hélium a également une seule couche, mais ses deux électrons la remplissent complètement. (b) Les électrons du carbone remplissent complètement sa première couche électronique, mais seulement à moitié sa seconde. (c) Le néon, un élément qui n'est pas présent dans le corps, a 10 électrons, remplissant ses deux couches électroniques.

Le facteur qui régit le plus fortement la tendance d'un atome à participer à des réactions chimiques est le nombre d'électrons dans sa couche de valence. Une couche de valence (valence shell) est la couche électronique la plus externe d'un atome. Si la couche de valence est pleine, l'atome est stable ; ce qui signifie que ses électrons sont peu susceptibles d'être arrachés du noyau par la charge électrique d'autres atomes. Si la couche de valence n'est pas pleine, l'atome est réactif ; ce qui signifie qu'il aura tendance à réagir avec d'autres atomes de manière à remplir sa couche de valence. Considérez l'hydrogène, avec son seul électron qui ne remplit qu'à moitié sa couche de valence. Cet électron unique est susceptible d'être attiré dans des relations avec les atomes d'autres éléments, afin que la seule couche de valence de l'hydrogène puisse être stabilisée.

Les atomes, à l'exception de l'hydrogène et de l'hélium, qui n'ont qu'une seule couche électronique, sont plus stables lorsque leur couche de valence — capable de contenir huit électrons — contient exactement huit électrons. Ce principe est appelé la règle de l'octet, et il stipule qu'un atome cédera, gagnera ou partagera des électrons avec un autre atome afin de se retrouver avec huit électrons dans sa propre couche de valence. Par exemple, l'oxygène, avec six électrons dans sa couche de valence, est susceptible de réagir avec d'autres atomes de manière à entraîner l'ajout de deux électrons à la couche de valence de l'oxygène, portant le nombre à huit. Lorsque deux atomes d'hydrogène partagent chacun leur seul électron avec l'oxygène, des liaisons covalentes sont formées, résultant en une molécule d'eau, H₂O. Cependant, il existe des exceptions à la règle de l'octet : les molécules avec un nombre impair d'électrons de valence, celles avec moins de huit électrons de valence, et celles avec plus de huit électrons.

Dans la nature, les atomes d'un élément ont tendance à se joindre aux atomes d'autres éléments de manières caractéristiques. Par exemple, le carbone remplit communément sa couche de valence en se liant à quatre atomes d'hydrogène. En ce faisant, les deux éléments forment la plus simple des molécules organiques, le méthane, qui est également l'un des composés contenant du carbone les plus abondants et les plus stables sur Terre. Comme indiqué ci-dessus, un autre exemple est l'eau ; l'oxygène a besoin de deux électrons pour remplir sa couche de valence. Il interagit communément avec deux atomes d'hydrogène, formant H₂O. Incidemment, le nom « hydrogène » reflète sa contribution à l'eau (hydro- = « eau » ; -gène = « producteur »). Ainsi, l'hydrogène est le « producteur d'eau ».