Structure atomique

Les atomes sont essentiellement des espaces vides, avec un minuscule noyau central contenant des protons et des neutrons, entouré par des nuées de petits électrons en orbite autour de lui (Fig. 2.1). Les neutrons n’ont pas de charge électrique, mais les protons ont une unité de charge électrique positive, tandis que les électrons ont une unité de charge électrique négative. Comme les atomes contiennent un nombre égal de protons et d’électrons, ils n’ont pas de charge nette.

Figure 2.1 Atome avec son noyau, et quatre couches d’électrons.

Ces particules subatomiques diffèrent aussi sur le plan de leur masse. Les électrons sont si petits que leur masse est négligeable, mais les neutrons et les protons ont une unité de masse atomique. Le tableau 2.1 résume les caractéristiques physiques des électrons, des protons et des neutrons.

Tableau 2.1 Caractéristiques des particules constituant l’atome

Nombre atomique et poids atomique

Un élément est différent d’un autre par le nombre de protons du noyau de l’atome (Fig. 2.2). C’est ce qu’on appelle le nombre atomique, et chaque élément a son propre et unique nombre atomique. Par exemple, l’hydrogène n’a qu’un seul proton par noyau, l’oxygène en a huit et le sodium onze. Les nombres atomiques de l’hydrogène, de l’oxygène et du sodium sont par conséquent 1, 8 et 11, respectivement. Le poids atomique d’un élément est la somme de protons et de neutrons dans le noyau de l’atome.

Figure 2.2 La structure atomique d’éléments : hydrogène, oxygène et sodium.

Les électrons sont représentés dans la figure 2.1 comme décrivant une orbite sur des anneaux concentriques autour du noyau. Ceux-ci représentent schématiquement les différents niveaux d’énergie des électrons par rapport au noyau, et non leur position physique. Le premier niveau d’énergie ne peut porter que deux électrons, et il est rempli en premier. Le deuxième niveau d’énergie ne peut porter que huit électrons, et il est rempli ensuite. Le troisième niveau d’énergie et ceux qui suivent portent un nombre d’électrons allant croissant avec le rang du niveau, chacun contenant un plus grand nombre d’électrons que le précédent.

La configuration d’électrons indique la distribution des électrons de chaque élément ; par exemple celle du sodium est 2 8 1 (Fig. 2.2).

La chimie de la vie dépend de la capacité de réaction des atomes et de se combiner entre eux, afin de produire la grande variété de molécules requises pour la diversité biologique. Pour cela, les particules atomiques importantes sont les électrons de la couche superficielle. Un atome est réactif lorsqu’il ne comporte pas un nombre stable d’électrons dans sa couche externe, et peut donner, recevoir ou partager des électrons avec un atome ou plus afin de parvenir à la stabilité. Cela sera décrit plus complètement dans la section portant sur les molécules et les composés.

Isotopes

Ce sont des atomes d’un élément dans lesquels il y a un nombre différent de neutrons dans le noyau. Cela ne modifie pas l’activité électrique de ces atomes, car les neutrons ne portent pas de charge électrique, mais cela modifie leur poids atomique. Par exemple, il existe trois formes d’atome d’hydrogène. La forme la plus habituelle comporte un proton dans le noyau et un électron sur sa couche. Une autre forme (deuterium) a un proton et un neutron dans le noyau. Une troisième forme a un proton et deux neutrons dans le noyau, et un électron sur sa couche (tritium). Ces trois formes d’hydrogène sont appelées isotopes (Fig. 2.3).

Figure 2.3 Les isotopes d’hydrogène.

Comme le poids atomique d’un élément correspond en réalité à un poids atomique moyen calculé en utilisant tous ses atomes, le véritable poids atomique de l’hydrogène est de 1,008 mais, pour des raisons essentiellement pratiques, il peut être fixé à 1.

Le chlore a un poids atomique de 35,5, car il contient deux isotopes, l’un avec un poids atomique de 35 (avec 18 neutrons dans le noyau) et l’autre de 37 (avec 20 neutrons dans le noyau). Ces deux isotopes n’ayant pas une fréquence égale, le poids atomique moyen du chlore est de 35,5.

Molécules et composés

Il a été mentionné précédemment que les atomes de chaque élément ont un nombre spécifique d’électrons autour du noyau. Quand le nombre d’électrons de la couche externe est soit le nombre maximal (Fig. 2.1), soit une proportion stable de cette fraction, l’élément est dit inerte ou chimiquement non réactif, c’est-à-dire qu’il ne se combinera pas facilement à d’autres éléments pour former des composés. Ces éléments sont les gaz inertes : hélium, néon, argon, krypton, xénon et radon.

Les molécules sont la combinaison chimique de deux atomes ou plus. Les atomes peuvent être ceux d’un seul et même élément ; par exemple, une molécule d’oxygène atmosphérique (O₂) contient deux atomes d’oxygène. La plupart des molécules, cependant, contiennent deux éléments distincts ou plus ; par exemple, une molécule d’eau (H₂O) contient deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène. Comme cela a été mentionné précédemment, quand deux éléments ou plus se combinent, la molécule qui en résulte peut être considérée aussi comme un composé.

Les composés contenant les éléments carbone et hydrogène sont dits organiques, et tous les autres sont dits inorganiques. Les tissus vivants sont formés de composés organiques, mais le corps a également besoin de composés inorganiques.

Liaisons covalentes et ioniques

Le vaste ensemble de processus chimiques sur lesquels le fonctionnement du corps repose dépend entièrement de la façon selon laquelle les atomes s’assemblent, se lient et se séparent. Par exemple, la simple molécule d’eau est un fondement crucial de toute vie sur Terre. Si l’eau était un composé moins stable, et si les atomes se séparaient facilement les uns des autres, la biologie humaine n’aurait jamais pu évoluer. Par ailleurs, l’organisme est dépendant de la rupture de diverses molécules (sucres, graisses, par exemple), scission qui libère de l’énergie utilisée par les activités cellulaires. Quand des atomes sont liés entre eux, ils forment une liaison chimique, généralement d’un des deux types suivants : covalent ou ionique.

Les liaisons covalentes sont celles où des atomes ont en commun des électrons. La plupart des molécules sont maintenues ensemble par ce type de liaison ; cela forme un lien fort et stable entre les atomes qui les constituent. Une molécule d’eau est construite en utilisant des liaisons covalentes. L’hydrogène a un électron sur sa couche externe, mais le nombre optimal d’électrons sur cette couche est de deux. L’oxygène a six électrons sur sa couche externe, mais le nombre optimal d’électrons pour cette couche est de huit. Par conséquent, un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène se combinent, chaque atome d’hydrogène partageant son électron avec l’atome d’oxygène, ce qui donne à ce dernier huit électrons sur sa couche externe, qui le rendent stable. L’atome d’oxygène partage l’un de ses électrons avec chacun des atomes d’hydrogène, si bien que chaque atome d’hydrogène a deux électrons sur sa couche externe, faisant que les deux atomes d’hydrogène sont stables également (Fig. 2.4).

Figure 2.4 Molécule d’eau, avec ses liaisons covalentes entre l’hydrogène (en jaune) et l’oxygène (en vert).

Les liaisons ioniques sont plus faibles que les liaisons covalentes ; elles sont formées par le transfert d’électrons d’un atome à l’autre. Par exemple, quand le sodium (Na) se combine avec le chlore (Cl) pour former du chlorure de sodium (NaCl), le seul électron situé sur la couche externe de l’atome de sodium est transféré sur la couche externe de l’atome de chlore (Fig. 2.5).

Figure 2.5 Formation du composé ionique chlorure de sodium.

De ce fait, l’atome de sodium du composé a huit électrons sur sa couche externe (qui est la seconde couche), et il est donc stable. L’atome de chlore a aussi huit électrons sur sa couche externe qui, bien que ne remplissant pas cette couche (NdT : 3^e couche, pouvant contenir 18 électrons), constituent un nombre d’électrons suffisant pour assurer la stabilité de l’atome. L’atome de sodium est maintenant chargé positivement parce qu’il a libéré un électron chargé négativement, et l’ion chlorure est maintenant chargé négativement parce qu’il a accepté un électron de sodium supplémentaire. Les deux atomes sont par conséquent liés entre eux car ils portent des charges opposées, mutuellement attractives.

Quand le chlorure de sodium est dissous dans l’eau, la liaison ionique se rompt et les deux atomes se séparent. Les atomes sont chargés parce qu’ils ont échangé des électrons ; on ne les appelle plus alors des atomes mais des ions. Le sodium, dont la charge est positive, est un cation, écrit Na⁺, tandis que le chlore, chargé négativement, est un anion, écrit Cl⁻. Par convention, le nombre de charges électriques d’un ion est indiqué par un chiffre précédant le signe plus ou moins (NdT : sauf si l’ion ne porte qu’une charge, comme Na⁺ ou Cl⁻ ; ainsi, l’ion calcium est désigné par Ca²⁺).

Électrolytes

Un composé ionique (par exemple le chlorure de sodium) dissout dans l’eau est appelé électrolyte parce qu’il conduit l’électricité. Les électrolytes sont d’importants constituants du corps car ils :

De nombreux composés biologiques, tels les hydrates de carbone, présents dans l’organisme ne sont pas ioniques, et par conséquent ils n’ont pas de propriétés électriques quand ils sont dissociés dans l’eau ; c’est par exemple le cas des hydrates de carbone. Outre le sodium et le chlore, les électrolytes importants incluent le potassium (K⁺), le calcium (Ca²⁺), le bicarbonate (HCO₃⁻) et le phosphate .

Poids moléculaire

Le poids moléculaire d’une molécule est la somme des poids atomiques des éléments qui forment cette molécule ; par exemple :

Le poids moléculaire, comme le poids atomique, est exprimé simplement comme une grandeur, jusqu’à ce qu’une échelle de mesure soit utilisée.

Molarité

Le terme de molarité est le plus couramment utilisé pour exprimer la concentration de nombreuses substances présentes des liquides corporels.

La mole (mol) est le poids moléculaire en grammes d’une substance. Une mole d’une substance quelconque contient 6,023 × 10²³ molécules ou atomes. Par exemple, 1 mole de bicarbonate de sodium (l’exemple ci-dessus) est de 84 g.

Dans une solution molaire 1 mole d’une substance est dissoute dans 1 litre de solvant (liquide dissolvant). Dans l’organisme humain, le solvant est habituellement l’eau. Une solution molaire de bicarbonate de sodium est par conséquent préparée en dissolvant 84 g de bicarbonate de sodium dans 1 litre de solvant.

La concentration molaire peut être utilisée pour mesurer la quantité d’électrolytes, de non-électrolytes, d’ions et d’atomes, pourvu que le poids moléculaire de la substance soit connu. Cela signifie qu’une solution molaire d’une substance contient exactement le même nombre de particules que tout autre solution molaire. Si le poids moléculaire d’une substance est inconnu, ou s’il y a plus d’une matière dans la solution, un autre système de mesure de la concentration doit être utilisé, comme les grammes par litre. Du fait des très petites quantités des nombreuses substances dissoutes dans les liquides corporels, les concentrations physiologiques sous souvent exprimées sous forme de fractions d’une mole : millimoles/litre (millièmes d’une mole) ou micromoles/litre (millionièmes d’une mole) (Tableau 2.2). Le tableau 2.3 fournit des exemples des taux plasmatiques normaux de certaines substances importantes, en concentrations molaires et en autres unités.

Tableau 2.2 Concentrations molaires

Tableau 2.3 Taux plasmatique normal de certaines substances

* Milliéquivalents par litre (mEq/l)