Soyez indulgents, c'est mon premier vrai article.

Ce soir, je me lâche sur la science.


 Un peu de chimie, vous connaissez la maison

 Avez-vous déjà entendu dire que le carbone était à la base de la vie ?

 Cette assertion ne vous a-t-elle jamais paru un peu présomptueuse ?

 C'est vivant, du charbon ?

 C'est vivant, un diamant ?

 Est-ce qu'on ne dit pas que l'eau est nécessaire à toute vie, alors qu'elle ne contient pas d'atome de carbone ?

 Oui, bon, je blague. Le carbone possède une propriété sympa pour la constitution de molécules géantes - dans le jargon, on parle plus couramment de macromolécules, comme celles qui forment, oh, votre chair, au sens large - ; en effet, il est tétravalent.

 Et pour éclaircir le mystère de ce terme barbare, on va beaucoup zoomer - dans le jargon, on parle plus couramment d'infiniment petit. Oui, là je me paye votre tête.

 Savez-vous ce qui sépare un quark d'un électron ?

  Promis, ce n'est pas le début d'une blague qui ne ferait rire que les étudiants en physique.

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 Un peu de physique, c'est déjà moins de la maison alors on va la jouer prudent

 Les quarks sont des "particules élémentaires" (façon polie de signaler que la physique n'a pas encore trouvé de quels sous-ensembles ils se constituent) caractérisées par :

 1] Une saveur.

 Oui, c'est bizarre. Ne le prenez pas au sens littéral. Le problème avec les découvertes récentes, c'est qu'elles impliquent qu'on a dû trouver récemment un nom pour des notions toutes nouvelles, et que la plupart des termes pas trop ridicules étaient déjà pris. Chez les quarks, il en existe six : haut, bas, gauche, droite, sauter et tirer.

 Ah non, pardon, ça c'est les boutons de... Euh, laissez tomber.

 Pouf, pouf.

 Les six saveurs sont haut, bas, étrange, charme, beauté et vérité.

 Avouez que ça aurait de la gueule, des commandes pareilles sur une console portable.

Et maintenant, on devine qui est qui sur ce schéma tant laid qu'inutile.

Je continuerai de figurer les quarks par des croix sur les prochains schémas,
histoire de ne pas vous emmêler avec les protons et neutrons qui seront des sphères.

 2] Une charge électrostatique.

 On va compter en "charge électrostatique élémentaire", utilisée comme référence parce que c'est celle des protons et des électrons : cette charge électrostatique élémentaire, on l'appelle "e". Elle est égale à 1,602 ×10^-19 Coulomb. Rien à voir avec le type qui voulait aller aux Indes, il s'agit de l'unité de charge électrique du système international : si ça vous parle plus, on peut la décomposer en Ampère x Seconde (le premier étant l'unité de l'Intensité électrique et le deuxième celle du Temps. Note après coup : je me suis aperçue qu'il était complètement con de le préciser mais je le laisse pour la blague.)

 Vous connaissez sûrement l'analogie avec les pôles nord et sud d'un aimant, je m'en voudrais de vous embrouiller avec. Parce qu'il faudrait alors que vous admettiez que l'un des pôles a un pouvoir d'attraction deux fois supérieur à l'autre.

 Un quark n'a, en effet, que deux possibilités pour sa charge électrostatique : -⅓ e et +⅔ e. Plus simple encore, vous la connaissez à partir du moment où vous avez sa saveur : bas, étrange et beauté font du -⅓ e, tandis que haut, charme et vérité font du +⅔ e. Et je vais surtout vous parler de haut et bas, qui sont connus pour former les protons et les neutrons ; on rencontre beaucoup moins étrange, charme, beauté et vérité dans la vie de tous les jours parce qu'ils forment des machins moins stables.

Ce schéma est pourri mais je n'ai pas droit aux couleurs, rapport au prochain paragraphe.

 3] Une couleur.

 C'est comme pour la saveur : une notion qui n'a rien à voir avec ce à quoi on donne ce nom dans la vie de tous les jours. Par contre, contrairement à la saveur, il y a une logique là-derrière ; on cherchait une façon facile d'expliquer les règles d'appariement entre quarks.

 Car les quarks s'apparient, oui oui oui. Soit entre eux, par groupe de trois larrons, soit avec un anti-quark, et cette fois-ci c'est seulement par deux (ce dernier cas ne nous intéressera pas aujourd'hui).

 Ces couleurs sont au nombre de six, là encore : rouge, bleu, vert, anti-rouge, anti-bleu, et anti-vert. Les trois dernières sont en fait des anti-couleurs (sans déc') qui sont l'apanage des anti-quarks. Et, comme ce ne sont pas de véritables couleurs, inutile d'essayer d'imaginer à quoi ressemble leur contraire ; on raisonne dessus, simplement.
 Erratum : Martin Fournier a signalé que "les anticouleurs ça se représente très bien". Il est vrai qu'en général on utilise du cyan pour l'anti-rouge, du magenta pour l'anti-vert et du jaune pour l'anti-bleu. Je vous avouerai que j'ai fait exprès de ne pas le dire : je suis contre. Si l'anti-rouge était du cyan, on appellerait ça du cyan. Idem pour les autres.

 La couleur des quarks se révèle être une propriété "invisible" ; pourquoi ? Parce que (dans le modèle, soyons d'accord) les quarks s'apparient toujours de façon à ce que la résultante de leurs "couleurs" donne du "blanc" (rouge+bleu+vert ou couleur+anti-couleur) ; par ailleurs, on ne peut les observer que lorsqu'ils sont appariés ; et comme le blanc n'est pas une couleur, ben, on n'y voit plus rien.

 Je me répète, la notion de couleur a été mise au point pour expliquer pourquoi "des fois y sont deux, et des fois y sont trois".

Attentions vos yeux. Je ne mets pas les anti-couleurs parce que dans notre cas on s'en fout.

 Avec une saveur, une charge électrostatique et une couleur, notre quark est plutôt pas mal défini. Et comme je n'ai pas encore perdu le fil de mon article, je passe à l'électron.

 Les électrons sont, eux aussi, des "particules élémentaires". On les caractérise par :

 ... Ben, en fait, quand on parle d'électron, on a déjà pas mal défini le sujet ! Et comme nous n'en sommes pas encore arrivés à les placer autour du noyau, leurs "nombres quantiques" (j'y reviendrai un jour) n'ont rien à faire ici. Mais, par rapport au quark :

 1] Sa saveur :

 L'électron est déjà une saveur unique d'une famille de particules appelées Lepton. Et, oui, ha ha ha, Lepton comme le thé, ho ho ho, serveur je prendrai un Lepton électron, hu hu hu.

 2] Sa charge électrostatique :

 Elle est de -e. Toujours. -1,602 ×10^-19 Coulomb, donc. Je ne vous rappelle pas ce qu'est le Coulomb, je me suis assez vautrée comme ça la fois précédente.

 3] Sa couleur :

 Y a pas. Les électrons, comme tous les leptons, ne possèdent pas de propriété de couleur. Ils ne s'apparient pas pour former du "blanc". Ils restent solitaires.

 C'est ça, la différence principale entre un quark et un électron ; et c'est sur cette différence que se fonde toute la constitution de la matière telle que nous la connaissons.

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 Je remets un titre pour séparer ce bazar en deux blocs minimum sinon vous allez me tuer

 Attrapons une poignée de quarks haut et bas. Comme c'est une expérience de pensée, ne nous posons pas la question de savoir comment diable nous réussissons à faire ça. Balançons-les en tas : ils vont se grouper pour former des protons et des neutrons.

 Question existentielle, dès lors : quels quarks y a-t-il dans le proton et le neutron ? Est-ce que l'un ramasse tous les haut et l'autre tous les bas ? Quel suspens, camarades !

 Réponse : le proton prend deux haut et un bas, le neutron prend deux bas et un haut.

Nota : nous sommes d'accord que les quarks ne sont pas groupés dans un seul quart de cercle.
C'est une convention de dessin. Je ne sais pas schématiser intelligemment.

 Je les ai figurés l'un rougeâtre et l'autre grisounet parce que c'est une convention de couleur classique pour nos éléments du noyau atomique. Rien à voir avec les couleurs de quark : la résultante est blanche dans les deux cas - confère plus haut.

 Les flèches sur les quarks n'ont pas la même couleur pour mieux faire ressortir la différence entre quarks haut et bas sur ce schéma trop petit.

 Cette nuance fait que le proton et le neutron sont deux objets plutôt différents quoique semblables. Cette phrase est follement informative. Regardons nos quarks ; et si on calculait la charge électrostatique résultante ?

 Le proton possède deux haut (2 x +⅔ e) et un bas (-⅓ e) : le total est de +e.

 Le neutron possède deux bas (2 x -⅓ e) et un haut (+⅔ e) : le total est de 0e.

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 Un peu d'atomique, je m'y sens relativement à l'aise

 Je pense qu'on retombe en terrain connu pour la plupart des lecteurs. Il est notoire que les protons et les neutrons jouent à frotti-frotta dans le noyau des atomes. Pourquoi ? Parce que leurs quarks de couleur, même après leur mariage à trois, continuent à attirer les autres couleurs autour d'eux ; le rouge veut du bleu et du vert, le bleu veut du vert et du rouge, le vert veut du rouge et du bleu. C'est ce que l'on appelle l'interaction nucléaire forte. Mais elle n'est pas toute seule sur l'affaire.

 Vous vous souvenez de l'analogie avec les pôles nord et sud d'un aimant ? On va en avoir besoin.

 Les neutrons sont toujours contents de faire de l'interaction nucléaire forte avec d'autres neutrons et des protons. En revanche, les protons s'aiment de par leur interaction forte, mais ne peuvent pas se pifer de par leur interaction électrostatique. Que fait un aimant si vous lui collez un pôle sud sur son pôle sud ? Il s'efforce d'y mettre bon ordre, il se retourne pour lui présenter son pôle nord.

 Pensez au drame du proton qui en est incapable ! Pensez au drame du proton qui meurt d'envie de se barrer de ce noyau plein de ses insupportables semblables, et qui ne reste que grâce aux suppliques des neutrons !

Pour ma défense, j'ai créé ce schéma entre deux et trois heures du matin.

 Hem.

 La cohérence d'un noyau atomique est un fragile équilibre entre interaction forte et répulsion électrostatique. Lorsqu'il y a déséquilibre, on finit par obtenir de la "radioactivité" (je schématise). Je vous en parlerai dans un autre article.

 Mais sinon, me direz-vous, si les éléments du noyau atomique aiment à se coller à d'autres éléments du noyau atomique, quand bien même les protons mettent la zone dans la colocation, pourquoi n'y a-t-il pas que de gros noyaux ? Dès qu'un noyau rencontre un autre noyau, il devrait essayer frénétiquement de s'y agglutiner. Non ?

 Ben non, parce qu'un noyau tout seul, y a pas, dans des conditions normales. Si nous collons ensemble des protons et des neutrons, nous allons générer une grosse boule de charges +e. Et la charge électrostatique, dans la nature, elle aime à s'annuler. Cette grosse baballe positive va donc attirer à elle des trucs négatifs qui traînent, et les trucs négatifs qui traînent le plus dans la nature, ce sont les électrons.

 Les électrons, on l'a déjà dit, ne forment pas de grosses baballes ; ils se contentent de se détester. Ils vont se mettre en "orbite" autour du noyau, formant toutefois plutôt une "atmosphère" autour de lui qu'un ensemble de "satellites".

 (La raison pour laquelle ils ne se contentent pas de tomber sur le noyau est toujours un mystère pour moi. Mais j'ai trouvé une explication convaincante sur le web, que je vais vous donner céans. Si un électron tombe sur un noyau, ça ne l'amène à rien. Ce n'est pas un météore qui peut se briser, une goutte d'eau qui peut s'étaler. C'est une particule élémentaire. Rien d'aussi trivial qu'une collision avec un noyau atomique ne peut le déranger. Donc, quand bien même les électrons feraient la teuf sur le noyau atomique tous les week-end, cela n'aurait pas de conséquences, donc nous n'aurions aucun moyen de le détecter, donc nous ne le saurions tout simplement pas. Ma source.)

 Ce sont ces "nuées" d'électrons qui empêchent les noyaux atomiques séparés de se faire des câlins : c'est un peu comme si leurs gardes du corps ne pouvaient pas se voir en peinture.

Ces atomes qui parlent sont à la limite de devenir des personnages récurrents.

 ... Sauf qu'il y a bien entendu un cas où les nuages d'électrons sont très contents de se rapprocher les uns des autres, parce que ce serait bien trop simple sans ça.

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 On n'aurait qu'à dire qu'autour des noyaux, ce serait un immeuble. Sans ascenseur.

 Imaginez un immeuble un peu bizarre. Il est bâti autour d'une sphère, sur laquelle il ne tombe pas. Tout autour : il couvre la surface entièrement, et la gravité y est toujours dirigée vers le centre de la sphère. Vous n'avez pas de mal à imaginer qu'à chaque étage supérieur, la surface au sol disponible augmente. De fait, d'un étage à l'autre, des appartements supplémentaires apparaissent, chacun mesurant la même surface.

 Par contre, il n'a pas d'ascenseur : la proximité du rez-de-chaussée sera donc recherchée par tout nouveau locataire, mais jamais au point de squatter dans un appartement ou un étage déjà complet. De plus, comme les électrons se détestent, s'ils sont deux pour deux appartements vides au même étage ils préféreront occuper les deux plutôt que s'installer ensemble dans un seul.

 Au premier étage, appelé K, il y a un appartement avec de la place pour deux personnes. Nous pouvons supposer que les concierges s'y installeront.

 Au deuxième étage, appelé L, il y a quatre appartements avec de la place pour deux personnes.

 Au troisième étage, appelé M, il y a neuf appartements avec de la place pour deux personnes.

 Arrêtons-nous, ce sera suffisant pour raisonner.

J'ai cherché des heures comment bien figurer des sphères sur un support 2D.
Eh ben le plus simple c'est encore de faire des cercles. Ces schématisations vont fort loin.

 Ajoutons une couche d'analogie foireuse là-dessus et déclarons que cet immeuble possède un propriétaire qui déteste louer un étage incomplet. Peu lui importe de ne pas louer du tout ses étages supérieurs, mais louer un étage incomplet l'oblige à s'occuper des réparations et de l'entretien sur tout l'étage alors que, scrogneugneu, ses locataires n'en utilisent qu'une partie.

 Et là, attention les yeux, parce que ce propriétaire grognon va accomplir quelque chose de très improbable : il va se rapprocher d'un autre propriétaire d'immeuble et chacun va persuader ses locataires de l'étage incomplet de former une sorte de duplex entre leur immeuble et l'autre. Chacun partira vivre une partie du temps dans un autre immeuble, et chaque immeuble aura, virtuellement, son bon nombre de locataires.

 Bien sûr, pour tirer une tyrolienne entre ses deux appartements, il faut rapprocher physiquement les immeubles. Trop loin, ça ne fonctionnera pas ; trop près, les deux immeubles entreront en collision et ce n'est pas une bonne idée.

Mesdames, messieurs : la tyrolienne moléculaire.
Source de l'image originelle

 Et qué s'appelerio molécule. C'est exactement comme ça que ça marche.

 Après, il y a le cas ionique où le propriétaire qui a un ou deux locataires de trop les jette au propriétaire à qui il manque un ou deux locataires pour compléter son étage, mais nous ne l'aborderons pas aujourd'hui.

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 Revenons au carbone, dont les locataires sont très chiants

 Souvenons-nous que c'est là que j'essaye d'arriver depuis le début !

 Le carbone possède six protons et six neutrons dans son noyau. Ne me demandez pas comment je le sais. C'est comme ça. C'est la définition. S'il avait soixante-dix protons et cent soixante-neuf neutrons, ce ne serait pas du carbone mais un isotope de l'ytterbium. C'est son nombre de protons qui définit qui est un atome, si vous voulez. Je ferai peut-être un article là-dessus, mais pas sûr, parce que ce n'est pas très intéressant.

Oui, enfin non, c'est très intéressant mais j'ai pas le temps de traiter le sujet, là.
Source.

 

 La charge du noyau est de +6e. Afin de revenir à neutralité électrostatique, six électrons viennent s'installer dans l'immeuble imaginaire dont nous parlions à l'instant (si vous suivez un peu).

 Deux d'entre eux jouent les concierges en bas, et les quatre autres montent au premier étage, vous savez, celui qui peut accueillir huit électrons.

 Oups. Pour compléter son étage, le propriétaire a besoin de quatre fichus locataires supplémentaires. Et il a plusieurs façons de s'y prendre.

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 Ces appartements ont vraiment des formes bizarres

 Vous ai-je dit qu'il y avait que tous les appartements d'un même étage se situent sur le même pallier ? J'ai menti. En réalité, il y a un système d'entresols. C'est bête mais ça modifie la donne.

C'est un plan schématique des appartements. Hem.

 

 Ces différents entresols sont appelés "orbitales" et adoptent différentes formes dans l'espace.

 Les orbitales "s" forment une boule autour du noyau.

 Les orbitales "p" ressemblent, selon la convention de dessin, à deux boules de par et d'autre de l'atome dans une dimension de l'espace, ou à un sablier à fond rond.

 Les orbitales "d" ressemblent, pour quatre d'entre eux, à quatre baballes dans un même plan. Le cinquième ressemble à une orbitale "p" avec un beignet flottant autour.

Pouf ! Ça a cette forme là. J'ai bien galéré sur la dernière, berk. Notez le code couleur : il y a des positifs et des négatifs aussi pour nos orbitales. Lorsqu'elles se rencontrent, on applique les règles de l'addition : moins et moins font moins, plus et plus font plus, moins et plus s'annulent.

 Vous ai-je précisé, par ailleurs, que certains des appartements de cet immeuble sphérique sont entièrement construits en pâte à modeler ?

 Je vous ai perdus, là, c'est ça ?

 Pourtant je vous assure que l'intérêt de murs en matière très souple vous apparaîtra bientôt.

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 Une question de géométrie : pratiquons l'érotisme moléculaire

 Prenons le cas de l'hydrogène. L'hydrogène a une vie cool. Son noyau, si on peut encore l'appeler comme ça, ne comporte qu'un proton et aucun neutron. Ça le rend assez décontracté question nucléaire. Du coup, il n'a qu'un seul électron. Tant mieux, me direz-vous : n'ayant personne à détester, lui aussi doit mener la belle vie. Oui mais non, encore ces histoires de propriétaire d'immeuble.

 Une des possibilités de l'hydrogène, c'est d'aller chercher un autre atome d'hydrogène et de mettre en concubinage leurs électrons.

Attention : dans cet article, les atomes ne sont pas drôles.

 Une autre possibilité de l'hydrogène, c'est d'aller chercher un atome de carbone et de lui dire : "Man, t'as toujours besoin de locataires, toi, non ? Man, on partage un locataire ?"

 Le carbone de répondre "Oui oui oui, c'est le oui, je suis en plein rush là je dois remplir mon immeuble, euh attends tu n'as qu'à aller..."

Visiblement, tous les hydrogènes ne sont pas cools.

 Heureusement, je l'ai dit, on a de la chance : les appartements s et p sont en pâte à modeler. Et avec cette pâte à modeler, le carbone est capable d'obtenir quatre orbitales semblables.

L'orbitale s et les trois orbitales p forment quatre orbitales appelées sp³.

 Elles s'organisent en tétraèdre, c'est à dire qu'elles se répartissent de façon régulière dans l'espace autour du noyau, qui permet de ne pas faire de jaloux parmi les atomes d'hydrogène !

Sont fous, ces hydrogènes !

 Reconnaissez-vous cette molécule ? On la note CH₄, et on l'appelle méthane.

 Compliquons l'affaire : au lieu de quatre atomes d'hydrogène, ce sont deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène qui déboulent.

 L'oxygène aussi est un fâcheux.

 Lui, il se caractérise par huit protons, donc huit électrons : deux dans l'orbitale 1s, deux dans l'orbitale 2s, deux dans une des orbitales 2p (x, par exemple) et les deux derniers se mettent chacun dans une orbitale 2p restante (y et z, donc).

 Il a deux possibilités, avec ses deux locataires ennuyeux : les confier tous les deux au même partenaire, ou trouver deux partenaires et leur en donner un chacun. Dans notre cas, déboulant comme il le fait sur le carbone, il va lui proposer deux électrons. Il va donc se placer dans une configuration sp², c'est à dire qu'il s'entourera de quatre orbitales, trois sp² disposées en triangle et une p restante qui s'installe perpendiculairement au plan formé par les trois autres. Les sp² ont environ la même tête que les sp³. Cette disposition lui permettra de fourguer ses deux électrons par la même face.

La liaison chimique, cette grande aventure.

 Heureusement, le carbone aussi peut faire du sp².

Les tirets ? C'est sûrement la tyrolienne. Notez que les deux pointillés ne forment qu'une seule liaison !

 Celle-ci, c'est une molécule qui tend à réagir rapidement sur elle-même : le formaldéhyde, CH₂O. (Canoniquement, on devrait l'appeler méthanal, mais beaucoup de gens la connaissent sous son vieux nom.)

 Il existe une troisième possibilité pour le carbone, qui lui permet de partager trois électrons en même temps avec un seul autre partenaire : c'est de se créer deux orbitales sp. Elles se répartiront le long d'une ligne, et les deux orbitales p restantes s'installeront à la perpendiculaire 1] de cette ligne 2] l'une de l'autre.

 Prenons un exemple : deux atomes de carbone, deux atomes d'hydrogène. On l'écrirait C₂H₂ en formule brute et HC≡CH en formule un peu plus développée, et on l'appelle acétylène. (Ou, toute nomenclature respectée, éthyne).

Non, en fait c'est moi qui ai fondu un fusible.

 L'orbitale sp n'est pas que l'apanage de la liaison triple ; on peut aussi obtenir deux liaisons doubles. C'est le cas du CO₂, par exemple :

Sacré plan à trois.

 Et là, nous avons à peu près fait le tour. C'était bien, pas vrai ?

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 La conclusion à cet article très long - pour ceux qui ne dorment pas encore

 Vous vous souvenez de la question fondamentale posée au début de cet article ? Pourquoi le carbone est aussi doué pour faire de grosses molécules, donc permet la vie ? Je vous propose cette réponse : c'est la multiplicité des liaisons qu'il peut réaliser avec d'autres atomes, de par le nombre de ses électrons, qui l'amène à former des chaînes différentes et complexes avec de nombreux types d'atomes. Des carbones, des oxygènes, des azotes, pour parler des plus courants ; l'hydrogène joue aussi un grand rôle, car il referme les chaînes moléculaires entamées.

 Seuls les atomes qui possèdent quatre électrons disponibles pour la formation de liaisons possèdent autant de possibilités. Le carbone n'est pas le seul : lire le tableau périodique permet de repérer aussitôt deux autres exemples - il faut suivre la colonne - : le silicium et le germanium. D'ailleurs la science-fiction s'est souvent emparée de l'idée de formes de vie à base de silicium. Toutefois, le carbone est autrement plus abondant dans l'univers que ces deux là, et constitue ainsi la base de la vie telle que nous la connaissons.

 Et, puisque nous pouvons expliquer les propriétés de l'atome de carbone par celles des éléments qui le composent, jusqu'à remonter aux quarks, nous pouvons sans honte jeter un pont entre le macroscopique, le domaine des choses que l'on voit, et cet infiniment petit que nous ne pouvons que supposer.

Sources des images qui ne m'appartiennent pas : viande/petit fille

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 C'était grandiloquent comme fin d'article mais je vous avouerai que je fatigue un peu. J'espère que je serai parvenue à vous amuser un peu, vous instruire pas trop, et vous faire passer le temps agréablement.

 Au plaisir de vous revoir la semaine prochaine,

 @now@n.

Mise à jour le 7/04/2014 : Orthographe.