Plonger dans une goutte d'eau

L'essentiel

Les atomes et les molécules sont minuscules : un atome fait environ 10⁻¹⁰ m, une molécule un peu plus, de l'ordre du nanomètre — quelques dixièmes de nanomètre pour les petites molécules comme l'eau (0,3 nm). Une simple goutte d'eau contient des milliards de milliards de molécules. On ne peut pas les voir, même au microscope : on se sert du modèle pour les représenter.

Comprendre

Les atomes et les molécules appartiennent à un monde beaucoup trop petit pour nos yeux : le monde microscopique. Il est utile de retenir des ordres de grandeur. Un atome a un diamètre de l'ordre de 10⁻¹⁰ m, soit 0,1 nm (un dixième de milliardième de mètre).

Une molécule, qui est un assemblage de plusieurs atomes, est un peu plus grande : sa taille est de l'ordre du nanomètre, soit 10⁻⁹ m. Il faut préciser ce que « de l'ordre de » veut dire ici : les petites molécules, comme la molécule d'eau, mesurent quelques dixièmes de nanomètre (environ 0,3 nm pour l'eau) ; les grosses molécules, faites de très nombreux atomes, peuvent être bien plus grandes. Ces dimensions sont si faibles que le nombre d'atomes ou de molécules dans un objet ordinaire est gigantesque : dans une seule goutte d'eau, il y a des milliards de milliards de molécules d'eau.

Un tel monde nous échappe totalement à l'œil nu, et même avec un microscope optique, le plus puissant soit-il : la lumière ne permet pas de « voir » des objets aussi petits. On ne peut donc pas observer directement un atome ou une molécule comme on observe une cellule. C'est pourquoi on utilise un modèle : on représente les atomes par des sphères et les molécules par des assemblages de sphères.

Ce modèle n'est pas une photographie de la réalité, c'est un outil de pensée qui permet de décrire et de prévoir le comportement de la matière à cette échelle invisible.

Le cours

Les atomes et les molécules sont des objets du monde microscopique, invisibles à l'œil nu. Il faut connaître leurs ordres de grandeur. Un atome a une taille de l'ordre de 10⁻¹⁰ m (0,1 nm).

Une molécule, assemblage de plusieurs atomes, est un peu plus grande : sa taille est de l'ordre du nanomètre (10⁻⁹ m) : quelques dixièmes de nanomètre pour les petites molécules comme l'eau (environ 0,3 nm), et davantage — jusqu'à bien plus d'un nanomètre — pour les molécules faites de nombreux atomes. En raison de ces dimensions minuscules, la matière contient un nombre colossal de particules : dans une simple goutte d'eau, on compte des milliards de milliards de molécules d'eau. Ces objets sont beaucoup trop petits pour être observés directement : même le microscope optique le plus puissant ne permet pas de voir un atome ou une molécule, car la lumière visible ne le permet pas.

Pour décrire ce monde invisible, on a donc recours à un modèle : les atomes sont représentés par des sphères, et les molécules par des assemblages de sphères liées. Ce modèle n'est pas une image réelle des atomes, mais un outil qui permet de comprendre, de décrire et de prévoir le comportement de la matière à l'échelle microscopique. Relier l'échelle des atomes (invisible) à la matière que l'on voit et manipule (visible) est l'un des grands apports de la chimie.

Les erreurs fréquentes

Avec un bon microscope de laboratoire (optique), on peut voir les atomes et les molécules.

Les atomes (≈ 10⁻¹⁰ m) et les molécules (≈ nanomètre) sont bien trop petits pour être vus avec un microscope optique, même le plus puissant. On ne les observe pas directement : on utilise un modèle pour les représenter.

Une goutte d'eau ne contient qu'un petit nombre de molécules faciles à compter.

Une simple goutte d'eau contient des milliards de milliards de molécules : le nombre de molécules dans la matière ordinaire est gigantesque, parce que chaque molécule est extrêmement petite.

Tu maîtrises la notion si…

• Donner les ordres de grandeur : un atome ≈ 10⁻¹⁰ m (0,1 nm), une molécule ≈ nanomètre (10⁻⁹ m), soit quelques dixièmes de nanomètre pour une petite molécule comme l'eau (0,3 nm).
• Savoir qu'un peu de matière (une goutte d'eau) contient des milliards de milliards de molécules.
• Expliquer qu'atomes et molécules sont trop petits pour être vus, même au microscope optique, et qu'on les décrit à l'aide d'un modèle.

Vérifie que tu as compris

1. Pourquoi ne peut-on pas voir un atome avec un microscope optique, même très puissant ?

   Réponse parce qu'il est bien trop petit (≈ 10⁻¹⁰ m)

   Un atome mesure de l'ordre de 10⁻¹⁰ m : il est bien trop petit pour être vu avec un microscope optique, car la lumière visible ne le permet pas. On le représente à l'aide d'un modèle (une sphère).

2. Environ combien de molécules d'eau contient une simple goutte d'eau ?

   Réponse Des milliards de milliards

   Une goutte d'eau contient des milliards de milliards de molécules d'eau : comme chaque molécule est extrêmement petite (de l'ordre du nanomètre : environ 0,3 nm pour une molécule d'eau), il en faut un nombre gigantesque pour former un peu de matière.

3. Un tableau donne des ordres de grandeur de tailles (valeurs usuelles des manuels de 4e) : atome ≈ 0,1 nm ; molécule d'eau ≈ 0,3 nm ; virus ≈ 100 nm ; globule rouge ≈ 7 000 nm ; épaisseur d'un cheveu ≈ 70 000 nm. Quelle phrase ce tableau permet-il d'écrire ?

   Réponse Un virus est environ 1 000 fois plus grand qu'un atome

   On compare deux lignes dans la même unité : 100 nm ÷ 0,1 nm = 1 000. « 70 000 atomes » confond une TAILLE (70 000 nm) avec un NOMBRE d'atomes, que le tableau ne donne pas. Le globule rouge (7 000 nm) est l'un des plus grands objets du tableau : c'est une lecture à l'envers. Et le tableau ne parle d'aucun microscope : c'est une affirmation que le document ne contient pas (et elle est fausse, l'atome est bien trop petit).