Les postulats du modèle atomique de Dalton : quels sont ceux qu'on utilise toujours aujourd'hui et qu'a-t-on découvert depuis ?

Points clés

  • La théorie atomique de Dalton est la première à décrire la matière en terme d'atomes et à préciser ses propriétés.
  • Dalton a fondé sa théorie sur la loi de conservation de la masse et la loi des proportions définies.
  • La première hypothèse de sa théorie stipule que toute matière est composée d'atomes qui sont eux-mêmes indivisibles.
  • La seconde hypothèse de la théorie précise que tous les atomes d'un élément donné possèdent la même masse et les mêmes propriétés.
  • La troisième hypothèse énonce que les composés sont des associations d'au moins deux types d'atomes différents.
  • La quatrième hypothèse de la théorie stipule qu'une réaction chimique correspond à un réarrangement d'atomes.
  • Certaines hypothèse de la théorie ont du être corrigées après la découverte des particules subatomiques et des isotopes.

Les chimistes se posent des questions.

La chimie regorge de questions sans réponse. L'une des premières questions que l'humanité s'est posée était celle-ci : De quoi le monde est-il fait ?
En d'autres termes, si on venait à zoomer 100000000000 fois - c'est 11 zéros ! - sur la peau du bout de votre doigt, qu'est ce qu'on verrait ? Est ce que ce serait différent de ce qu'on observerait pour une pomme, par exemple ? Et si on coupait cette pomme en morceaux de plus en plus petits avec un minuscule couteau imaginaire, est ce qu'on arriverait à un point où les morceaux ne pourraient plus être coupés en plus petites parties ? A quoi ressembleraient ces morceaux ? Conserveraient-ils les mêmes propriétés qu'une pomme ?
Les réponses à ces questions sont essentielles en chimie moderne. Il y a seulement une centaine d'années que les chimistes se sont mis d'accord sur ce sujet. Grâce à des scientifiques comme John Dalton, les chimistes modernes voient le monde comme un immense assemblage d'atomes. Même si on ne peut pas voir les atomes à l'oeil nu, ce sont bien les interactions au niveau atomique qui sont responsables des propriétés de la matière telles que la couleur, l'état (solide, liquide ou gazeux) et même l'odeur. Dans cet article, on va parler de la théorie atomique de Dalton, qui fut la première à décrire la matière en terme d'atomes et à préciser ses propriétés.

Fondement de la théorie de Dalton

Dalton a fondé sa théorie sur deux lois : la loi de conservation de la masse et celle des proportions définies.
La loi de conservation de la masse stipule que dans un système clos la matière ne peut être ni créée ni détruite. Cela veut dire que pour une équation chimique donnée, on doit retrouver la même quantité de chaque élément au niveau des réactifs de départ et au niveau des produits. On utilise la loi de conservation de la masse chaque fois qu'on doit équilibrer une équation !
La loi des proportions définies énonce que tous les échantillons d'un même composé pur ont la même composition. Par exemple, le sel de table, de formule moléculaire NaCl\text{NaCl}, contient toujours les mêmes proportions de sodium et de chlore, peu importe son origine ou sa quantité. Si on fait réagir du sodium métallique et du chlore à l'état gazeux - ce qui n'est pas recommandé de faire chez soi - on obtiendrait du sel de table avec la même composition chimique.
Application : Un scientifique venant du début des années 1700 réalise l'expérience suivante : il prend 10 g d'éthanol (CH3CH2OH\text{CH}_3 \text{CH}_2 \text {OH}) qu'il fait brûler dans un bêcher en présence d'oxygène. A la fin de la réaction, il constate que le bêcher est vide. Le résultat de cet expérience est-il en contradiction avec la loi de conservation de la masse ?

La théorie atomique de Dalton

Hypothèse 1 : Toute matière est faite d'atomes.

Dalton a émis l'hypothèse que la loi de conservation de la masse et la loi des proportions définies pouvaient être expliquées à partir de la notion d'atomes. En effet, il suppose que la matière est constituée de minuscules particules indivisibles appelées atomes. Il pense alors que ces particules sont "solides, massives, dures, impénétrables et mobiles".
Il est important de rappeler que Dalton n'avait pas les appareils nécessaires pour pouvoir observer ou faire des expériences sur l'atome en lui-même. Il ne savait donc pas que l'atome possédait une structure interne. Sa vision de l'atome correspond à la représentation qu'on en fait dans un kit de modélisation moléculaire, où les éléments sont représentés par des sphères de tailles et de couleurs différentes. Ce modèle se révèle pratique pour certaines applications, mais on sait désormais que les atomes sont loin d'être des sphères solides.

Hypothèse 2 : Tous les atomes d'un élément donné ont la même masse et les mêmes propriétés.

Dalton a soumis l'hypothèse qu'un atome donné d'un élément, tel que l'or, était semblable à n'importe quel autre atome de cet élément. Il a ajouté que les atomes d'un même élément étaient différents des atomes des autres éléments. On sait désormais que c'est essentiellement vrai. Un atome de sodium est différent d'un atome de carbone. Deux éléments peuvent partager les mêmes points d'ébullition ou de fusion, ou les mêmes électronégativités par exemple, mais l'ensemble de leurs propriétés se seront jamais semblables.

Hypothèse 3 : Les composés sont des associations d'au moins deux types d'atomes différents.

La troisième hypothèse de la théorie de Dalton suggère que les composés sont des associations d'au moins deux types d'atomes différents. Par exemple, le sel de table est un composé formé par association de deux éléments distincts et qui possède des propriétés physico-chimiques qui lui sont propres. Le premier élément est le sodium, un métal fortement réactif, et le second est le chlore, un gaz toxique. Quand ils réagissent entre eux, les atomes s'associent avec un rapport 1 pour 1 pour former des cristaux blancs de NaCl\text{NaCl}, qu'on utilise pour assaisonner la nourriture.
Les atomes étant indivisibles, ils s'associent toujours les uns aux autres avec un rapport de nombres entiers. Par conséquent, écrire une formule chimique telle que Na0,5Cl0,5\text{Na}_{0,5}\text{Cl}_{0,5} n'a pas de sens puisqu'il est impossible d'avoir la moitié d'un atome !

Hypothèse 4 : Une réaction chimique est un réarrangement d'atomes.

Dans sa quatrième et dernière hypothèse, Dalton suggère que les réactions chimiques ne conduisent pas à la destruction ni à la création d’atomes mais consistent plutôt en un réarrangement de ceux-ci. Par exemple, pour former le sel de table dont on parlait précédemment, le sodium réagit avec le chlore. Mais les atomes de sodium et de chlore eux-mêmes existent toujours. Ils se réarrangent juste pour donner un nouveau composé.

Qu'a-t-on découvert depuis la théorie de Dalton ?

Pour faire court : beaucoup de choses ! Par exemple, on sait maintenant que les atomes ne sont pas indivisibles puisqu’ils sont constitués de protons, de neutrons et d’électrons. La représentation moderne d’un atome est bien différente de la particule « solide et massive » imaginée par Dalton. Les expériences menées par Ernest Rutherford, Hans Geiger et Ernest Marsden ont même montré que les atomes étaient principalement constitués de vide.
La deuxième hypothèse de la théorie de Dalton a dû être corrigée pour prendre en compte l’existence de différents isotopes pour un même élément. En effet, la spectrométrie de masse a permis de montrer que les atomes d’un même élément pouvaient posséder un nombre de neutrons différents et donc avoir des masses différentes. Pour en savoir plus sur les isotopes, consulter la vidéo Numéro atomique, nombre de masse et isotopes.
Malgré ces imprécisions, la théorie atomique de Dalton reste en grande partie exacte et a contribué à fonder les bases de la chimie moderne. Depuis, les scientifiques sont même parvenus à développer la technologie nécessaire pour observer le monde à l'échelle atomique !

À retenir

  • La théorie atomique de Dalton est la première à décrire la matière en terme d'atomes et à préciser ses propriétés.
  • Dalton a fondé sa théorie sur la loi de conservation de la masse et la loi des proportions définies.
  • La première hypothèse de sa théorie stipule que toute matière est composée d'atomes qui sont eux-mêmes indivisibles.
  • La seconde hypothèse de la théorie précise que tous les atomes d'un élément donné possèdent la même masse et les mêmes propriétés.
  • La troisième hypothèse énonce que les composés sont des associations d'au moins deux atomes différents.
  • La quatrième hypothèse de la théorie stipule qu'une réaction chimique correspond à un réarrangement d'atomes.
  • Certaines hypothèses de la théorie ont du être corrigées après la découverte des particules subatomiques et des isotopes.
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