You probably know that all stuff is made up of atoms and that an atom is a really, really, really, really tiny particle. Every atom has a core, which is made up of at least one positively charged particle called a proton, and in most cases, some number of neutral particles called neutrons. That core is surrounded by negatively charged particles called electrons. The identity of an atom is determined only by the number of protons in its nucleus. Hydrogen is hydrogen because it has just one proton, carbon is carbon because it has six, gold is gold because it has 79, and so on. Indulge me in a momentary tangent. How do we know about atomic structure? We can't see protons, neutrons, or electrons. So, we do a bunch of experiments and develop a model for what we think is there. Then we do some more experiments and see if they agree with the model. If they do, great. If they don't, it might be time for a new model. We've had lots of very different models for atoms since Democritus in 400 BC, and there will almost certainly be many more to come. Okay, tangent over. The cores of atoms tend to stick together, but electrons are free to move, and this is why chemists love electrons. If we could marry them, we probably would. But electrons are weird. They appear to behave either as particles, like little baseballs, or as waves, like water waves, depending on the experiment that we perform. One of the weirdest things about electrons is that we can't exactly say where they are. It's not that we don't have the equipment, it's that this uncertainty is part of our model of the electron. So, we can't pinpoint them, fine. But we can say there's a certain probability of finding an electron in a given space around the nucleus. And that means that we can ask the following question: If we drew a shape around the nucleus such that we would be 95% sure of finding a given electron within that shape, what would it look like? Here are a few of these shapes. Chemists call them orbitals, and what each one looks like depends on, among other things, how much energy it has. The more energy an orbital has, the farther most of its density is from the nucleus. By they way, why did we pick 95% and not 100%? Well, that's another quirk of our model of the electron. Past a certain distance from the nucleus, the probability of finding an electron starts to decrease more or less exponentially, which means that while it will approach zero, it'll never actually hit zero. So, in every atom, there is some small, but non-zero, probability that for a very, very short period of time, one of its electrons is at the other end of the known universe. But mostly electrons stay close to their nucleus as clouds of negative charged density that shift and move with time. How electrons from one atom interact with electrons from another determines almost everything. Atoms can give up their electrons, surrendering them to other atoms, or they can share electrons. And the dynamics of this social network are what make chemistry interesting. From plain old rocks to the beautiful complexity of life, the nature of everything we see, hear, smell, taste, touch, and even feel is determined at the atomic level.
Vous savez probablement que tout est composé d'atomes et qu'un atome est une particule vraiment, vraiment, vraiment, vraiment minuscule. Chaque atome possède un noyau, qui est constitué d'au moins une particule chargée positivement appelée un proton, et dans la plupart des cas, un certain nombre de particules neutres appelées neutrons. Ce noyau est entouré de particules chargées négativement appelées électrons. L'identité d'un atome est déterminée seulement par le nombre de protons dans son noyau. L'hydrogène est l'hydrogène car il n'a qu'un seul proton, le carbone est le carbone car il en a six, l'or est l'or parce qu'il en a 79, et ainsi de suite. Permettez-moi de diverger un instant. Comment connaissons-nous la structure atomique ? Nous ne pouvons pas voir les protons, les neutrons ni les électrons. Alors, on fait un tas d'expériences et on développe un modèle pour ce qui se trouve là selon nous. Puis, nous faisons encore des expériences et voyons si elles concordent avec le modèle. Si oui, c'est génial. Si non, il pourrait être temps de trouver un nouveau modèle. Nous avons eu beaucoup de modèles très différents pour les atomes depuis Démocrite en 400 av. J.-C., et il y en aura presque certainement beaucoup plus à venir. Bon, revenons à nos moutons. Les noyaux des atomes ont tendance à rester groupés, mais les électrons sont libres de se déplacer, et c'est pourquoi les chimistes aiment des électrons. Si nous pouvions les épouser, nous le ferions probablement. Mais les électrons sont bizarres. Ils semblent se comporter soit comme des particules, comme des petites balles de baseball, ou comme des vagues, comme des vagues d'eau, selon l'expérience que nous effectuons. Une des choses les plus étranges avec les électrons est que nous ne pouvons pas dire exactement où ils se trouvent. Ce n'est pas que nous n'avons pas l'équipement nécessaire, c'est que cette incertitude fait partie de notre modèle de l'électron. Donc, nous ne pouvons pas les identifier, très bien. Mais nous pouvons dire qu'il y a une certaine probabilité de trouver un électron dans un espace donné autour du noyau. Et ça signifie que nous pouvons poser la question suivante : si on traçait une forme autour du noyau de façon à être sûr à 95 % de trouver un électron donné à l'intérieur de cette forme, à quoi ressemblerait-il ? Voici quelques-unes de ces formes. Les chimistes les appellent des orbitales, et ce à quoi ressemble chacune d'elles dépend, entre autres choses, de la quantité d'énergie qu'elle possède. Plus une orbitale a d'énergie plus l'essentiel de sa densité est éloigné du noyau. Au fait, pourquoi avons-nous choisi 95 % et pas 100 % ? Eh bien, c'est une autre bizarrerie notre modèle de l'électron. Passé une certaine distance du noyau, la probabilité de trouver un électron commence à décroître de façon plus ou moins exponentielle, ce qui signifie que même si elle s'approche de zéro, elle n'arrivera jamais vraiment à zéro. Ainsi, dans chaque atome, il y a une probabilité faible mais non nulle, que, pour une très courte durée, l'un de ses électrons soit à l'autre bout de l'univers connu. Mais pour la plupart, les électrons restent près de leur noyau sous forme de nuages de densité chargée négativement qui bougent avec le temps. La façon dont les électrons d'un atome interagissent avec les électrons d'un autre détermine presque tout. Les atomes peuvent abandonner leurs électrons, les remettre aux autres atomes, ou ils peuvent partager des électrons. Et la dynamique de ce réseau social est ce qui rend la chimie intéressante. Depuis de vieux cailloux ordinaires à la belle complexité de la vie, la nature de tout ce que nous voyons, entendons, sentons, goûtons, touchons, et même ressentons est déterminée au niveau atomique.