Au moins un manuel destiné à l'enseignement de la chimie au secondaire mentionne, outre beaucoup (trop) d'erreurs et de maladresses pédagogiques qui sacrifient le fond pour la forme, une définition complètement absconse d'un élément en la rendant dépendante de l'existence du tableau périodique ... et de la notion d'isotopes ! Ce fichier, destiné aux premières leçons de chimie au secondaire, propose une démarche simple, historiquement correcte, qui montre que la notion d'élément est très antérieure à l'établissement du tableau périodique. Aucune formule chimique réelle n'apparaît avant la dernière diapositive afin de préserver l'esprit de l'époque. Cette présentation devra ENSUITE être revue à la lumière des acquis modernes (structure des atomes, noyaux, protons, neutrons ...). La démarche actuelle est trop souvent un cercle vicieux qui fait appel à ces acquis modernes pour retrouver sans gloire les concepts fondamentaux.

1. La matière
La matière est ce qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Les quatre états les
plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux et l'état plasma. La matière
occupe de l'espace et possède une masse. Ainsi, en physique, tout ce qui a une masse
est de la matière. (https://fr.wikipedia.org/wiki/Mati%C3%A8re)
Ce qui constitue ce qui est perceptible par les sens. Matière inorganisée, inanimée, inerte.
Matière vivante. (Dictionnaire Antidote)
On désigne par le terme de matière tout ce qui compose les corps qui nous entourent, tout
ce qui a une masse et un volume.
(http://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/matiere-matiere-15841/)
La matière représente l’ensemble des objets et composés, naturels ou synthétiques, qui nous
entourent. (http://www.cnrs.fr/cnrs-images/chimieaulycee/THEMES/matiere/prezmati.htm)
Substance constituant les corps, douée de propriétés physiques.
(http://www.larousse.fr/encyclopedie/divers/mati%C3%A8re/68675)
Ça commence mal !

2. La matière
Un échantillon de matière, pris au hasard, est généralement
un mélange hétérogène (= composé de plusieurs phases)

3. Les mélanges
Beaucoup d’échantillons de matière comportent « visiblement » plusieurs domaines. Ce
sont des mélanges hétérogènes généralement aisés à fractionner en systèmes homogènes.
• (air + huile) 2 domaines
• (air + huile + eau) 3 domaines
• (air + eau salée saturée + sel + récipient) 4 domaines
• ...
Une substance est dite homogène, à l’échelle choisie, si toutes les prises possibles sont
indiscernables par le dispositif d’observation utilisé. Dans le cas contraire, on
reconnaît deux ou plusieurs phases, chacune étant homogène dans toute son
étendue.
• du sable marin
• du lait écrémé
• sucre + sel
• diamants + verre taillé
une phase vue de loin, plusieurs phases de près
une phase à l’œil nu, deux phases au microscope
une phase au goût avec le doigt, éventuellement deux phases
au goût avec une pince fine, deux phases au microscope
une phase à l’œil non expert, deux phases à l’œil expert, deux
phases à la masse volumique

4. Mélanges homogènes – Corps purs
La grande majorité des systèmes homogènes restent fractionnables et constituent donc
des mélanges homogènes dont la séparation des constituants peut s’avérer délicate.
Le fractionnement répété des mélanges homogènes fournit plus ou moins rapidement des
substances qui résistent aux procédés de fractionnement « doux » et présentent des
caractéristiques physiques (masse volumique, température d’ébullition, température de
fusion ...) propres. Ce sont des corps purs.
La reconnaissance d’un corps pur demeura longtemps une conviction largement tributaire des progrès
techniques et de l’ingéniosité des expérimentateurs.
• eau sucrée(l) eau(g) et sucre(s) (s) = solide ; (l) = liquide ; (g) = gaz
• eau de mer filtrée(l) eau(g) et sels marins(s)
• air humide(g) air sec(g) et eau(l)
• air sec(g) air(l) azote(g) , oxygène(g) , argon(g) ...
• sang frais(l) plasma , globules rouges , globules blancs , plaquettes ...
évaporation
refroidissement, compression distillation
refroidissement
évaporation
filtration, centrifugation

5. Les corps simples
L’entreprise de destruction systématique (= analyse) de la matière (chauffage, courant
électrique, pression ...) par les chimistes a conduit à reconnaître un nombre limité de
substances indécomposables par les procédés « habituels ». Ce sont les corps simples.
𝑒𝑎𝑢 𝑙
𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡 é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜𝑔è𝑛𝑒(𝑔)
𝑜𝑥𝑦𝑔è𝑛𝑒(𝑔)
//
//
//
𝑎𝑖𝑟 𝑔
𝑟𝑒𝑓𝑟𝑜𝑖𝑑𝑖𝑠𝑠𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑖𝑙𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛
𝑎𝑧𝑜𝑡𝑒(𝑔)
𝑜𝑥𝑦𝑔è𝑛𝑒(𝑔)
𝑎𝑟𝑔𝑜𝑛 𝑔 …
//
//
𝑠𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑢𝑖𝑠𝑖𝑛𝑒(𝑠)
𝑐ℎ𝑎𝑢𝑓𝑓𝑎𝑔𝑒 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡 é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑜𝑑𝑖𝑢𝑚(𝑠)
𝑐ℎ𝑙𝑜𝑟𝑒(𝑔)
//
//
𝑠𝑢𝑐𝑟𝑒 𝑠
𝑐ℎ𝑎𝑢𝑓𝑓𝑎𝑔𝑒 𝑐𝑜𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡 é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒
𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑒(𝑠)
ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜𝑔è𝑛𝑒(𝑔)
𝑜𝑥𝑦𝑔è𝑛𝑒(𝑔)
//
//
//

6. Les corps simples
Plusieurs de ces corps simples sont connus depuis (très) longtemps soit parce qu’ils se trouvent à l’état naturel (or,
arsenic, soufre ...), soit parce qu’ils sont aisément formés au départ de minéraux (plomb, étain, fer, cuivre ...).
galène (plomb et soufre)
pyrite (fer et soufre)
or
soufre
antimoine
cassitérite (étain et oxygène)
cinabre (mercure et soufre)
malachite (cuivre, carbone,
oxygène, hydrogène)
pyrargyrite (argent, soufre et antimoine)

7. Les corps simples
Ici également, la reconnaissance d’un corps simple demeura longtemps une conviction
largement tributaire des progrès techniques et de l’ingéniosité des expérimentateurs.
̎Il est à prévoir que les terres cesseront bientôt d’être comptées au nombre des substances simples ; elles sont les
seules de toute cette classe qui n’ont point de tendance à s’unir à l’oxygène et je suis porté à croire que cette
indifférence pour l’oxygène, s’il m’est permis de me servir de cette expression, tient à ce qu’elles sont déjà saturées.
Les terres, dans cette manière de voir (ne) seraient (pas) des substances simples, (mais) peut-être des oxydes
métalliques oxygénés jusqu’à un certain point. Ceci n’est au surplus qu’une simple conjecture que je présente ici.
J’espère que le lecteur voudra bien ne pas confondre ce que je donne pour des vérités de fait et d’expérience avec
ce qui n’est encore qu’hypothèse.̎
(A. Lavoisier , 1793)
Corps simple Découverte Corps simple Découverte
aluminium(s) Wohler, 1827 chlore(g) Scheele , 1774
argon(g) Rayleigh, Ramsay, 1894 fluor(g) Moisson , 1886
azote(g) Rutherford , 1772 hydrogène(g) Cavendish , 1766
baryum(s) Davy , 1808 oxygène(g) Priestley , Scheele
bore(s) Davy , Thénard , 1808 phosphore(s) Brand , 1669
brome(l) Balard , 1826 uranium(s) Peligot , 1841

8. Le cycle du cuivre (https://www.youtube.com/watch?v=dyoVw-bjsU8)
cuivre solution bleue
acide nitrique
solution bleue solide bleu
soude
solide bleu solide noir
chauffage
solide noir solution bleueac. sulfurique
solution bleue cuivrezinc
« Quelque chose », caractéristique du cuivre, s’est conservé durant ces cinq transformations.

9. Vers la notion d’élément
̎Le même or peut être réduit en liquide (je l’ai vérifié moi-même), par l’action de l’eau régale ou d’autres
menstrues en ce sens que les corpuscules d’or et ceux du solvant passent ensemble à travers un filtre et
peuvent ensuite donner naissance, par coagulation, à un sel cristallin.
J’ai prélevé une partie d’un des sels que j’avais préparés et j’ai pu en extraire, par sublimation, de l’or sous
forme de cristaux jaunes d’une certaine longueur. Il existe bien d’autres moyens pour déguiser l’or en
l’incorporant dans des corps très différents les uns des autres et du métal de départ. Cependant on peut
toujours récupérer quantitativement celui-ci et l’identifier par sa couleur, sa fixité, sa malléabilité.
Ce n’est pas seulement avec le plus fixe des métaux que j’ai obtenu ces résultats, mais aussi avec le plus fugitif.
En effet, le vif-argent peut être amalgamé avec divers métaux et transformé en liqueur par l’action de diverses
menstrues. Avec de l’eau forte, il donne soit une poudre blanche soit une poudre rouge, avec l’huile de vitriol,
on obtient un précipité jaune clair, le soufre agit en donnant un cinabre rouge et volatil ... Cependant à partir
de tous ces composés exotiques on peut récupérer le mercure que nous y avons introduit et déguisé.
La raison pour laquelle je vous rapporte ces faits relatifs à l’or et au mercure est qu’ils montrent qu’il n’est pas
absurde d’admettre que les petites masses ou agglomérats primaires dont nous avons parlé plus haut restent
intacts au cours de toutes ces opérations malgré leur incorporation dans des édifices plus complexes. ̎
(R. Boyle , 1661)
Ces petites masses qui se conservent lors des transformations chimiques furent ultérieurement baptisées « atomes ».

10. Vers la notion d’élément
̎Ces diverses observations ont conduit implicitement à une hypothèse qui paraît universellement admise : les
corps de grandeur pondérables sont constitués par un grand nombre de particules extrêmement petites
appelées atomes de matière. Il n’entre pas dans mon dessein de contester cette hypothèse – elle me
satisfait entièrement – mais de montrer que nous n’en avons pas fait un usage suffisant, et qu’en
conséquence nous n’avons que des idées très obscures concernant les actions chimiques.̎
J. Dalton , 1808
Un atome est un corpuscule de matière qui se conserve lors
des transformations (physico-chimiques) de la matière.
Un élément est formé de l’ensemble des atomes de l’univers qui en possèdent les
propriétés chimiques (à préciser). C’est un concept (très) macroscopique.
On associe un symbole à chaque élément, comme le faisaient les alchimistes.
élément symbole élément symbole élément symbole
hydrogène H carbone C soufre S
azote N oxygène O chlore Cl
fluor F sodium Na fer Fe

11. Atomes , éléments , corps purs , mélanges
Une molécule est un assemblage défini d’atomes. C’est un concept (généralement) microscopique.

12. Atomes , éléments , corps purs
Remarque importante : le choix historique malheureux d’un même nom pour l’élément et son corps simple le plus stable
(25 °C , 1 atm) entretient dans la littérature francophone une regrettable confusion entre ces deux
concepts. Les nombreuses traductions approximatives d’ouvrages anglo-américains où le terme
« element » désigne indifféremment l’élément ou le corps simple n’améliore pas la situation (cf. la
confusion entre « density » , masse volumique et densité).
Un corps (pur) simple est formé de l’ensemble des molécules de l’univers qui en possèdent les propriétés
chimiques. Les molécules d’un corps simple ne renferment qu’une seule sorte d’atomes
(un seul élément), parfois un seul atome. C’est un concept (très) macroscopique.
Un corps (pur) composé est formé de l’ensemble des molécules de l’univers qui en possèdent les propriétés
chimiques. Les molécules d’un corps composé renferment plusieurs sortes
d’atomes (plusieurs éléments). C’est un concept (très) macroscopique.
Un mélange homogène ou non, résulte de la réunion dans l’espace de molécules de plusieurs corps purs.
Ce concept est microscopique ou macroscopique selon la quantité de molécules mises en jeu.

13. Les lois stœchiométriques pondérales
La stœchiométrie est la partie de la chimie qui étudie les proportions suivant lesquelles les corps réagissent ;
la théorie atomique autorise quelques avancées au travers de trois lois pondérales
associées à la généralisation de l’emploi des balances dans les laboratoires (Lavoisier).
La masse d’un système fermé en
réaction chimique reste constante.
Cette loi de conservation est une conséquence directe de
la définition des atomes comme corpuscules conservés lors
des transformations chimiques.
La masse atomique d’un élément (A) est la masse (mA) d’un atome de cet élément.
Pour la réaction A2B + 2 C → AC + ABC par exemple, une lecture au niveau microscopique indique
qu’une molécule du corps pur composé A2B réagit avec deux atomes du corps pur simple C pour former une
molécule du corps pur composé AC et une molécule du corps pur composé ABC.
masse des réactifs = (2.mA + mB) + 2.mC = (mA + mC) + (mA + mB + mC) = masse des produits

14. Les lois stœchiométriques pondérales
La composition pondérale d’un corps pur
ne dépend pas de son mode de formation.
Cette loi est une conséquence directe de l’arrangement
défini des atomes au sein d’une molécule (Proust).
• 9 g d’eau renferment toujours 8 g d’oxygène (corps simple ou élément ?) et 1 g d’hydrogène (corps simple
ou élément ?) soit, en pourcentages massiques, % O = 88,9 et % H = 11,1 (corps simples ou éléments ?).
La composition pondérale d’un corps pur est généralement accessible à l’expérience.
• 10 g de sel de cuisine libèrent toujours 3,9 g de sodium (corps simple ou élément ?) et 6,1 g de chlore
(corps simple ou élément ?) soit, en pourcentages massiques, % Na = 39,0 et % Cl = 61,0 (corps simples
ou éléments ?).
• Pour la molécule A2BC3 on a : % A = 100.2.mA/(2.mA + mB + 3.mC) valeur connue
% B = 100.mB/(2.mA + mB + 3.mC) valeur connue
% C = 100.3.mC/(2.mA + mB + 3.mC) valeur connue
Vérifier que ce système de 3 équations à 3 inconnues (mA , mB et mC) ne permet (malheureusement) pas de
calculer ces masses atomiques. Pourquoi ?

15. Les lois stœchiométriques pondérales
Cette troisième loi pondérale, énoncée par Dalton avant sa vérification expérimentale, est une
subtile conséquence de la théorie atomique et de l’impossibilité, à cette époque, d’atteindre les
masses atomiques des éléments (cf. le dernier exercice de la diapositive précédente). Seules les
masses atomiques relatives (à une référence, en général l’élément hydrogène) sont disponibles.
𝑃𝑜𝑢𝑟 𝐴3 𝐵2
%𝐴
%𝐵
=
3. 𝑚 𝐴
2. 𝑚 𝐵
Soient trois corps purs renfermant au moins deux éléments en commun, A3B2 , AB2C et A2B3D5 par exemple.
𝑃𝑜𝑢𝑟 𝐴𝐵2 𝐶
%𝐴
%𝐵
=
1. 𝑚 𝐴
2. 𝑚 𝐵
𝑃𝑜𝑢𝑟 𝐴2 𝐵3 𝐷5
%𝐴
%𝐵
=
2. 𝑚 𝐴
3. 𝑚 𝐵
Si la théorie atomique est exacte, on doit obtenir
des fractions simples par combinaisons judicieuses
des pourcentages pondéraux expérimentaux.
Cette affirmation constitue la
loi des proportions multiples.
%𝐴 %𝐵 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝐴3 𝐵2
%𝐴 %𝐵 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝐴𝐵2 𝐶
=
3. 𝑚 𝐴. 2. 𝑚 𝐵
2. 𝑚 𝐵. 1. 𝑚 𝐴
=
3
1
%𝐴 %𝐵 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝐴3 𝐵2
%𝐴 %𝐵 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝐴2 𝐵3 𝐷5
=
3. 𝑚 𝐴. 3. 𝑚 𝐵
2. 𝑚 𝐵. 2. 𝑚 𝐴
=
9
4
%𝐴 %𝐵 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝐴𝐵2 𝐶
%𝐴 %𝐵 𝑑𝑎𝑛𝑠 𝐴2 𝐵3 𝐷5
=
1. 𝑚 𝐴. 3. 𝑚 𝐵
2. 𝑚 𝐵. 2. 𝑚 𝐴
=
3
4

16. Les lois stœchiométriques pondérales
On donne les analyses centésimales pour trois corps purs :
% Na % O
le bicarbonate de sodium 27,3 57,1
le sulfate de sodium 32,4 45,0
l’oxylithe 58,9 41,0
(%Na/%O) dans le bicarbonate/(%Na/%O) dans le sulfate = (27,3/57,1)/(32,4/45,0) = 0,664  2/3
(%Na/%O) dans le sulfate/(%Na/%O) dans l’oxylithe= (32,4/45,0)/(58,9/41,0) = 0,501  1/2
2. Ces belles confirmations de l’hypothèse atomique ne permettent malheureusement pas de
remonter à la composition atomique des molécules car on peut former une fraction simple
d’une infinité de manières. C’est la stœchiométrie volumique qui apportera la solution.
Remarques :
1. Les valeurs présentées dans cet exercice sont remarquablement précises pour l’époque ;
les incertitudes de mesure et les impuretés des réactifs masquent aisément la fraction
simple. Il a fallu presque un siècle pour obtenir une confirmation définitive.

17. La loi stœchiométrique volumique
La loi des proportions volumiques (Gay-Lussac) attira rapidement l’attention car, tout comme la loi
des proportions multiples, elle met en jeu des fractions simples censées refléter l’aspect
microscopique discontinu (atomes, molécules) de la matière.
A température et pression fixées, les volumes des gaz
formés ou consommés au cours d’une transformation
chimique sont en rapports simples.
Observations :
1 mL de chlore(g) + 1 mL d’hydrogène(g) → 2 mL d’esprit de sel(g)
1 mL d’oxygène(g) + 2 mL d’hydrogène(g) → 2 mL d’eau(g)
1 mL d’azote(g) + 3 mL d’hydrogène(g) → 2 mL d’ammoniac(g)
1 mL d’esprit de sel(g) + 1 mL d’ammoniac(g) → un solide blanc

18. La loi stœchiométrique volumique
Dans le cadre de l’hypothèse atomique, une loi stœchiométrique
aussi simple suggère l’interprétation microscopique suivante ...
1 particule de chlore(g) + 1 particule d’hydrogène(g) → 2 particules d’esprit de sel(g)
1 particule d’oxygène(g) + 2 particules d’hydrogène(g) → 2 particules d’eau(g)
1 particule d’azote(g) + 3 particules d’hydrogène(g) → 2 particules d’ammoniac(g)
1 particule d’esprit de sel(g) + 1 particule d’ammoniac(g) → ? particule d’un solide blanc
... pour autant que, dans les mêmes conditions de température
et de pression, un volume donné de n’importe quel gaz
renferme le même nombre de particules (atomes ou molécules).
1 mL de chlore(g) + 1 mL d’hydrogène(g) → 2 mL d’esprit de sel(g)
1 mL d’oxygène(g) + 2 mL d’hydrogène(g) → 2 mL d’eau(g)
1 mL d’azote(g) + 3 mL d’hydrogène(g) → 2 mL d’ammoniac(g)
1 mL d’esprit de sel(g) + 1 mL d’ammoniac(g) → un solide blanc
C’est l’hypothèse
d’Avogadro

19. La loi stœchiométrique volumique – Formules moléculaires
1 particule de chlore(g) + 1 particule d’hydrogène(g) → 2 particules d’esprit de sel(g)
1 particule d’oxygène(g) + 2 particules d’hydrogène(g) → 2 particules d’eau(g)
1 particule d’azote(g) + 3 particules d’hydrogène(g) → 2 particules d’ammoniac(g)
1 particule d’esprit de sel(g) + 1 particule d’ammoniac(g) → ? particule(s) d’un solide blanc
Comme une particule d’esprit de sel, un corps pur composé, contient au moins un atome
d’hydrogène et un atome de chlore, chaque particule de chlore ou d’hydrogène renferme 2 ou 4
ou ... 2.n atomes. L’hypothèse la plus simple (n = 1) s’avéra adéquate et on écrit ainsi :
Cl2(g) + H2(g) → 2 HCl(g)
O2(g) + 2 H2(g) → 2 H2O(g)
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s)
C’est de cette manière que
furent établies les premières
formules moléculaires.