Nombre d’atomes et nombre de moles : l’exemple du saccharose

Une des compétences de base liées à la stoechiométrie consiste en la distinction entre les notions de nombre d’atomes et de nombre de moles. Les deux concepts sont étroitement liés et leur compréhension est essentielle à la fois pour pouvoir effectuer correctement les calculs et pour interpréter correctement les informations contenues dans de nombreux textes de chimie et de biochimie.

Qu’est-ce qu’un atome ?

Lorsque nous parlons d’ atomes, nous nous référons aux plus petites unités qui composent un élément chimique donné et qui ont toujours les mêmes propriétés physiques et chimiques . Les atomes sont de petites particules formées par un noyau encore plus petit, où l’on peut trouver des protons et des neutrons chargés positivement ; ils sont également entourés d’un ensemble d’électrons chargés négativement.

Ces atomes sont les mêmes atomes chimiques que l’on retrouve dans le tableau périodique et que l’on représente sur papier au moyen de leurs symboles chimiques respectifs. Par exemple, nous pouvons parler d’atomes d’hydrogène ou d’atomes de carbone, auquel cas nous nous référons aux particules qui composent l’élément hydrogène ou carbone et qui sont représentées respectivement par les symboles H et C.

les molécules

Lorsque deux atomes ou plus se rejoignent par des liaisons covalentes, de nouvelles unités discrètes appelées molécules se forment. Así como los átomos se representan por medio de su símbolo químico, las moléculas se representan por la fórmula molecular, la cual es una lista de los símbolos de todos los átomos que la conforman, con subíndices que indican el número de átomos de cada elemento que il est présent.

Exemple de molécule : le saccharose

Comme exemple de molécule, on peut considérer le saccharose. Ce composé est un disaccharide formé par l’union d’une molécule de glucose et d’une molécule de fructose et a la formule moléculaire C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ . Sa structure est présentée ci-dessous :

Combien y a-t-il d’atomes dans le saccharose ?

Maintenant que nous comprenons ce que sont les atomes et ce qu’est le saccharose, et que nous connaissons également la formule moléculaire de ce dernier, nous pouvons établir quelques relations stoechiométriques simples entre le saccharose et les atomes qu’il contient :

• Le saccharose contient trois types d’atomes différents, qui sont des atomes de carbone (C), d’hydrogène (H) et d’oxygène (O).
• Chaque molécule de saccharose contient exactement 12 atomes de carbone.
• Une molécule de saccharose contient exactement 22 atomes d’hydrogène.
• Chaque molécule de saccharose contient exactement 11 atomes d’oxygène.
• Au total, chaque molécule de saccharose contient exactement 45 atomes.

En plus de ces relations entre une molécule de saccharose et les atomes qu’elle contient, on peut également établir des relations stoechiométriques supplémentaires :

• Dans un échantillon de saccharose, pour 12 atomes de carbone, il y a 22 atomes d’hydrogène.
• Le saccharose contient 11 atomes d’oxygène pour 12 atomes de carbone.
• Pour 22 atomes d’hydrogène présents dans le saccharose, il y a également 11 atomes d’oxygène.

Chacun de ces rapports peut être utilisé pour effectuer des calculs stoechiométriques liés au saccharose. De plus, cette même analyse peut être faite avec toute substance dont on connaît la formule moléculaire.

Qu’est-ce qu’une taupe ?

La mole est l’unité du système international pour exprimer la quantité de matière . Par exemple, en disant que nous avons une mole d’azote, nous exprimons implicitement combien d’atomes de cet élément nous avons. En effet, lorsque nous parlons de taupes, nous entendons le nombre d’Avogadro de quelque chose. Autrement dit, la taupe est un multiple qui indique la présence ou l’existence de 6,022 x 10 ²³ unités de quelque chose . Cette chose peut concerner n’importe quoi, bien que dans le contexte de la science, elle se réfère généralement aux atomes, aux molécules, aux ions, aux électrons ou simplement aux particules en général.

En d’autres termes, la taupe n’est rien de plus qu’un nombre ; un très grand, il est vrai, mais un nombre, après tout. En fait, le concept de taupe équivaut à celui de douzaine, terme qui signifie 12. On peut dire que la douzaine est à 12, comme la taupe est au nombre d’Avogadro.

Le concept de mole a été inventé par Avogadro pour établir une échelle de poids atomiques par rapport au poids d’un atome de l’isotope 12 de l’élément carbone. Il a été défini à l’origine comme le nombre d’atomes de carbone présents dans exactement 12 grammes d’un échantillon complètement pur de carbone 12. Des années plus tard, il a été déterminé que ce nombre était égal à 6 022 x 10 ²³ et des déterminations expérimentales ultérieures ont progressivement affiné ce nombre. Cependant, pour éviter que l’une des unités de base du système international d’unités dépende de la précision des mesures expérimentales et, par conséquent, subisse une modification à chaque fois qu’une meilleure mesure était obtenue, elle a été redéfinie comme étant exactement 6,02214076 x 10 ²³ .

L’importance de la taupe

La mole est une unité de quantité de matière très pratique, car elle nous permet d’exprimer le nombre d’atomes dans des échantillons macroscopiques de matière (qui sont toujours des nombres extrêmement grands) en nombres plus petits et plus gérables.

D’autre part, grâce au fait que les proportions entre les différents éléments chimiques qui composent un composé chimique sont fixes, toutes les proportions stoechiométriques que l’on peut établir en termes d’atomes, de molécules ou d’ions peuvent être établies en utilisant les mêmes nombres dans termes de moles d’atomes, de moles de molécules ou de moles d’ions.

Utilisation correcte et incorrecte de la taupe

Il est courant que les étudiants en chimie se sentent un peu confus lorsqu’ils rencontrent des grains de beauté pour la première fois. Cette confusion, dans la plupart des cas, est due à une utilisation incorrecte du terme lors de l’expression de relations stoechiométriques. Rappelons-nous que la taupe n’est rien de plus qu’un nombre qui compte combien d’unités de quelque chose il y a ; par conséquent, chaque fois que nous parlons de taupes, nous devons spécifier ce que nous comptons.

Imaginons un instant qu’une personne dise à une autre « j’en ai une douzaine ». La deuxième personne aura immédiatement un doute et demandera : une douzaine de quoi ?

Il en va de même pour les taupes. Si on dit à un chimiste « chaque litre de solution contient 3 moles », le chimiste voudra tout de suite savoir 3 moles de quoi ? Tout à fait ? De solvant ? De dissolution ?

Combien y a-t-il de moles dans le saccharose ?

Après avoir clarifié ce qui précède, nous pouvons maintenant établir le même ensemble de relations stoechiométriques que nous avons écrit auparavant en termes d’atomes et de molécules, mais maintenant en termes de moles. Ces relations sont :

• 1 mole de molécules de saccharose contient exactement 12 moles d’atomes de carbone.
• 1 mole de molécules de saccharose contient exactement 22 moles d’atomes d’hydrogène.
• Chaque mole de molécules de saccharose contient exactement 11 moles d’atomes d’oxygène.
• Au total, chaque mole de saccharose contient 45 moles d’atomes.
• Dans tout échantillon de saccharose, pour 12 moles d’atomes de carbone, il y a 22 moles d’atomes d’hydrogène.
• Le saccharose contient 11 moles d’atomes d’oxygène pour 12 moles d’atomes de carbone.
• Pour 22 moles d’hydrogène présentes dans le saccharose, il y a aussi 11 moles d’oxygène.

Dans ces exemples, nous pouvons remarquer que, bien qu’il soit préférable de le faire, dans de nombreuses situations, il n’est pas nécessaire de spécifier le type de particules ou d’unités en question, mais seulement leur nom. Ainsi, en disant « chaque mole de saccharose », puisque le saccharose est une molécule, on comprend que la mole compte les molécules de saccharose.

De même, en disant « 22 moles d’hydrogène » dans ce contexte, la mole désigne les moles d’atomes d’hydrogène, puisque l’hydrogène est le nom d’un atome. Cependant, il faut faire attention, car le mot hydrogène peut également se référer dans d’autres contextes à l’hydrogène élémentaire, qui est un gaz diatomique de formule H ₂ . Dans ces cas, parler de « modèles d’hydrogène » peut être ambigu car il n’est pas clair si l’on se réfère à des moles de molécules d’hydrogène ou à des moles d’atomes d’hydrogène, ce qui met en évidence la nécessité de préciser à tout moment ce qu’il compte.

Nombre d’atomes par rapport au nombre de moles dans le saccharose

Les relations stoechiométriques énoncées ci-dessus ne sont pas les seules que l’on puisse établir pour le saccharose. Vous pouvez également écrire des relations qui combinent le nombre d’atomes, d’ions ou de molécules avec le nombre de moles d’atomes, d’ions ou de molécules. Dans ces cas, il faut veiller à ne pas oublier qu’une mole est égale au nombre d’Avogadro.

Certains rapports stoechiométriques mixtes possibles sont :

• Dans une mole de molécules de saccharose, il y a 1,32454 x 10 ²⁵ atomes d’hydrogène (ce qui correspond à 22 moles multipliées par le nombre d’Avogadro).
• Pour chaque 12 moles d’atomes de carbone dans un échantillon de saccharose, 6,02214076 x 10 ²³ molécules de saccharose sont présentes.

L’une des erreurs les plus courantes lors de l’écriture des relations stoechiométriques pour le saccharose, comme pour tout autre composé, est de traiter le nombre d’atomes et de molécules et le nombre de moles d’atomes et de molécules comme s’ils étaient identiques. Voici quelques exemples typiques de ce type d’erreur :

• Dans une mole de molécules de saccharose, il y a 22 atomes d’hydrogène.
• Pour 12 atomes de carbone dans un échantillon de saccharose, 1 mole de molécules de saccharose est présente.

Si à tout moment une question se pose quant à savoir si une relation est bonne ou mauvaise, une astuce très utile consiste à remplacer le mot taupe par douzaine. Si la relation a du sens, ce n’est probablement pas grave. Lorsque la relation n’est pas bien écrite, remplacer mol par douzaine la rendra beaucoup plus étrange et il sera facile de voir qu’il y a une erreur. Par exemple, dans la première des deux relations erronées, dire qu’il y a 22 atomes d’hydrogène dans une douzaine de molécules de saccharose est évidemment faux, puisqu’une douzaine de molécules ont 12 fois 22 atomes d’hydrogène, soit 264 atomes d’hydrogène et non 22.

Les références

Composés moléculaires et ioniques. (2020, 30 octobre). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1807

Chang, R. (2021). Chimie (11e éd.). ÉDUCATION DE MCGRAW HILL.

Moles d’atomes et de molécules – Concepts – Stœchiométrie – Chimie . (sd). beUnicoos. https://www.beunicoos.com/quimica/estequiometria/moles-y-magnitudes-masicas/quimica-moles-de-atomos-y-moleculas

Redéfinition de la taupe . (sd). LATU. https://www.latu.org.uy/wp/wp-content/uploads/2018/05/Redefinici%C3%B3n-del-mol.pdf