La masse est une propriété fondamentale de la matière, qui détermine l’inertie des atomes et des molécules. Comprendre les notions de masse atomique, masse moléculaire ou encore masse molaire est essentiel en chimie et en physique. Mais derrière ces concepts se cachent des subtilités qu’il est important de maîtriser.
Masse atomique et isotopes
Commençons par quelques rappels. Un atome est constitué d’un noyau composé de protons et de neutrons, autour duquel gravitent des électrons. Le nombre de protons dans le noyau détermine l’élément chimique : par exemple 6 protons pour le carbone, 26 protons pour le fer, etc.
Les isotopes sont des atomes d’un même élément chimique (même nombre de protons), mais qui ont un nombre différent de neutrons dans leur noyau. Par exemple, le carbone 12, le carbone 13 et le carbone 14 sont trois isotopes du carbone.
Qu’est-ce que la masse atomique ?
La masse atomique correspond à la masse d’un atome. Elle prend donc en compte la masse des protons, des neutrons et des électrons qui constituent l’atome. Cependant, la contribution des électrons étant négligeable, on considère que la masse atomique provient essentiellement des nucléons (protons et neutrons).
Par définition, un atome de carbone 12 a une masse atomique de 12 unités de masse atomique (notée u). Les masses des autres atomes s’expriment en multiples de cette unité.
Différence avec le poids atomique
Le poids atomique est une grandeur voisine mais différente. Contrairement à la masse atomique qui se rapporte à un isotope donné, le poids atomique est une moyenne prenant en compte l’abondance des différents isotopes naturels.
Prenons l’exemple du chlore :
- 75% des atomes de chlore sont du chlore 35, de masse atomique 34,969 u
- 25% sont du chlore 37, de masse atomique 36,966 u
Le poids atomique du chlore est donc la moyenne de ces masses selon leur abondance : (34,969 x 0,75) + (36,966 x 0,25) = 35,453 u.
Masse moléculaire
Définition
Alors que la masse atomique caractérise un atome, la masse moléculaire s’applique aux molécules, constituées de plusieurs atomes.
La masse moléculaire est définie comme la somme des masses atomiques des atomes constituant la molécule. Par exemple, pour une molécule d’eau H2O :
- Masse de 2 atomes H : 2 x 1,0079 = 2,0158 u
- Masse d’un atome O : 15,999 u
Masse moléculaire de H2O = 2,0158 + 15,999 = 18,0148 u
Utilité de la masse moléculaire
Connaître la masse moléculaire présente de nombreux intérêts en chimie et en physique :
- Caractériser la composition d’un échantillon de molécules
- Déterminer la quantité de matière contenue dans un échantillon
- Effectuer des calculs stœchiométriques lors de réactions chimiques
- Estimer certaines propriétés physico-chimiques comme la température de fusion, d’ébullition, etc.
Notion de mole et masse molaire
La mole, unité de quantité de matière
Le concept de mole est fondamental en chimie pour exprimer des quantités. Une mole représente un très grand nombre d’entités élémentaires (atomes, molécules…), obtenu en multipliant le nombre d’Avogadro (6,022×10^23) par le nombre d’entités choisi.
Ainsi, une mole d’atomes de fer contient 6,022×10^23 atomes. Une mole de molécules d’eau contient 6,022×10^23 molécules H2O. La mole est l’unité de quantité de matière du Système International.
Relation entre mole et masse : la masse molaire
Le lien entre la mole et la masse est donné par la masse molaire. Par définition, un mole d’atomes de carbone 12 pèse 12 grammes. La masse molaire du carbone est donc de 12 g/mol.
De manière générale, la masse molaire d’un atome ou d’une molécule en g/mol est égale à sa masse atomique ou moléculaire en unités de masse atomique. On peut alors facilement passer d’une quantité de matière en moles à une masse en grammes, et réciproquement.
Application : calcul de la masse molaire
Après ces rappels théoriques, voyons comment calculer concrètement une masse molaire à partir des masses atomiques.
Élément chimique
Prenons l’exemple du lithium (Li), dont la masse atomique est de 6,941 u d’après le tableau périodique des éléments. Sa masse molaire sera donc également de 6,941 g/mol.
Molécule
Calculons la masse molaire du dioxyde de carbone CO2 :
- Masse d’un atome de carbone : 12,011 u
- Masse d’un atome d’oxygène : 15,999 u
Pour le CO2 constitué de 1 atome de carbone et 2 atomes d’oxygène :
Masse molaire (CO2) = 1 x 12,011 + 2 x 15,999 = 44,010 u = 44,010 g/mol
Ion ou composé ionique
La démarche est similaire pour un ion ou un composé ionique. Par exemple, pour le carbonate de calcium CaCO3:
- Ca : 40,078 u
- C : 12,011 u
- O : 15,999 u
CaCO3 contient 1 Ca, 1 C et 3 O, d’où :
Masse molaire (CaCO3) = 40,078 + 12,011 + 3 x 15,999 = 100,087 u = 100,087 g/mol
Au-delà de la masse… comprendre la matière
Comprendre les différences entre masse atomique, masse moléculaire et masse molaire est une première étape indispensable en chimie et en physique. Mais le plus passionnant reste encore à venir : se servir de ces concepts pour appréhender des notions comme la stœchiométrie des réactions chimiques, les changements d’état de la matière, ou encore la structure quantique de l’atome !
