Atome, molécule, substance, élément... Pour bien comprendre, ne confondons pas les objets matériels et les catgérories (le chien Mirza n'est pas la catégorie des chiens)

Alors que je prépare un article de didactique de la chimie, je m'aperçois qu'il n'y a pas de raisons de ne pas mettre immédiatement en application les idées que je propose de partager avec des collègues.

L'article discute les notions d'éléments, d'atome, de molécule, de composé, de substance...

Mais partons de l'idée d'atome. Oublions les acceptions anciennes, périmées, qui ont eu cours jusque dans les années 1960, et commençons par considérer un peu d'eau.

Ce que l'on nomme "eau", et dont le nom est légitime, c'est une "substance", un objet matériel.
Qu'il soit liquide, gazeux, solide, l'eau est de l'eau.

Quand on le regarde à l'aide d'un super-microscope, on voit que l'eau est faite d'objets tous identiques, et que l'on nomme des "molécules". 

En l'occurrence, on dit parfois que ces molécules sont des "molécules d'eau".

Et si l'on cherche à fragmenter ces molécules par des procédés "chimiques" (plus ou moins l'énergie du "feu"), alors on peut séparer ces molécules en objets qui, eux, ne se séparent plus par des procédés qui mettent ces énergies en jeu. Les objets récupérés sont des "atomes".

Plus précisément, quand on analyse une molécule d'eau, on découvre qu'elle est faite d'atomes de deux sortes : des atomes d'une sorte ont été nommés "atomes d'oxygène", et des atomes d'une autre sorte ont été nommés "atomes d'hydrogène". 

Il y a, dans une molécule d'eau, un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène.

Et les mots "oxygène", ou "hydrogène", désignent donc des catégories d'atomes. Ce que l'on a nommé des "éléments".

Et c'est ainsi que, d'un côté, on a les objets matériels : atomes, molécules, substance ; de l'autre des catégories : les éléments. 

Du côté des catégories, il y a diverses "espèces chimiques", qui sont par exemple les "composés", les "espèces ioniques", les "métaux"...

- les  composés ? Ce sont des catégories, dont les molécules sont "composées" d'atomes appartenant à des éléments différents.
Pour "tenir ensemble", les atomes partagent des objets nommés "électrons".
 

Par exemple, le méthane est un composé, puisque les molécules de méthane sont faites d'un atome de carbone (appartenant à la catégorie de l'élément carbone) et de quatre atomes d'hydrogène (l'élément hydrogène).

- les espèces ioniques ? Cette fois, ce sont des assemblages d' "ions", c'est-à-dire d'atomes qui se sont échangés une partie, nommée électron.
J'insiste : ici, les électrons ne sont plus mis en commun, mais échangés.
 

Par exemple,  un cristal de sel est un empilement régulier et alterné d'un ion chlore (on dit "chlorure", mais c'est un détail) et d'un ion sodium.
Ici, les atomes de sodium ont cédé un électron, et les atomes de chlore en ont gagné un.

- les espèces métalliques ? Dans un bloc de fer, il n'y a que des atomes de fer (l'élément), mais ils mettent en commun des électrons, et cela est à l'origine de leur aspect brillant.

Finalement, on le voit, on comprend mieux si l'on ne confond pas les objets matériels et les catégories !

A propos de "sels minéraux" (disons plutôt "contenu minéral" ou "ions minéraux")

On m'interroge aujourd'hui sur les "sels minéraux" dans l'eau de boisson. Et mon interlocuteur est perdu, entre  les minéraux, les sels minéraux,  les ions...

Tout cela n'est guère difficile à condition de bien expliquer, en commençant par  un exemple. Partons de l'eau de mer, qui est salée, et évaporons-la : nous récupérons un solide gris, qui est "minéral", parce qu'il n'est ni animal, ni végétal, ni vivant en général. Ce sel marin est un mélange de cristaux de différentes tailles et couleurs, mais il est principalement composé de cristaux de "sel", un terme un peu abusivement pour désigner du chlorure de sodium (je n'explique pas pourquoi on le nomme "un sel", et non pas "le sel").
Ce sel gris peut être raffiné, à savoir qu'on le redissout dans l'eau avant de le recristalliser. Et le sel blanc que l'on obtient alors est fait de petits cristaux individuellement transparents (ce sont les reflets de la lumière du jour sur les faces planes de ces cristaux qui les font apparaître blancs). Et ces cristaux de sel de table sont du "chlorure de sodium" presque pur, avec un empilement régulier, comme des cubes empilés, de deux sortes d'atomes : des atomes de sodium, et des atomes de chlore.
En réalité, ces atomes sont fermement tenus - jusqu'à faire un solide dur-, parce que les atomes de sodium libèrent une petite partie d'eux-mêmes (des "électrons"), tandis que les atomes de chlore les captent. Ainsi, les deux sortes d'atomes deviennent ce que l'on nomme des "ions", et ces ions sont électriquement chargés, de sorte qu'ils s'attirent, un peu comme des aimants peuvent s'attirer.
Si nous mettons ce sel dans de l'eau, les ions sodium et chlore (on dit plutôt "chlorure") se dispersent, en s'entourant de molécules d'eau, et nous obtenons de l'eau salée. Il y a deux parties dans cette eau salée :
- l'eau
- le contenu "minéral", à savoir les ions sodium et chlorure.
Oui, minéral, parce que cela n'est pas vivant, quoi qu'en disent des illuminés (au sens péjoratif du terme), qui évoquent de l'"énergie", de la "dynamique", de la "mémoire", bref, une foule de choses pas avérées, et qui ne sont que le fruit de leur délire. Il faut le redire : le minéral n'est pas le vivant ! Et leurs élucubrations ne sont pas observables expérimentalement (d'ailleurs, avez-vous observé que ces gens-là sont le plus souvent des commerçants (en réalité des charlatans)... qui profitent de l'ignorance pour asseoir leur lucre ?).
Mais revenons à la dissolution du sel de table dans de l'eau : les cristaux de sel, qui sont de petits solides  se dissolvent, ce qui signifie que les ions sodium et chlorure se détachent des cristaux et vont se répartir dans l'eau.
Ce faisant, ils s'entourent de molécules d'eau, mais avec des forces (électriques, à nouveau) plus faibles qu'entre les ions eux-mêmes dans les cristaux. Et les "couches d'hydratation" autour des ions sodium ou chlorure sont changeantes : des molécules d'eau de ces couches repartent dans l'eau tandis que d'autres molécules d'eau viennent autour des ions.  

Revenons à notre question terminologique : les ions sodium et chlorure sont donc des ions minéraux, et l'eau salée contient de l'eau et une partie minérale, un contenu minéral... mais pas de "sels minéraux".

Et une eau de table ordinaire contient de même des ions minéraux : regardons l'étiquette et nous verrons des ions sodium, potassium, magnésium, chlorures, nitrates, sulfates, phosphates...
Les eaux de table contiennent-elles des ions minéraux ? Oui. Un contenu minéral ? Oui. Des sels minéraux ? Non !

Et c'est là qu'un autre exemple simple s'impose : dans de l'eau pure (seulement des molécules d'eau), dissolvant un premier sel, le chlorure de sodium, et un second sel, par exemple le nitrate de potassium. Après la dissolution, il y a dans l'eau des ions chlorure, des ions sodium, des ions nitrate et des ions potassium. Mais il n'y a plus de chlorure de sodium ni de nitrate de potassium, et, d'ailleurs, on aurait exactement le même résultat si l'on était parti de nitrate de sodium et de chlorure de potassium. Il y a donc pas de "sels minéraux" dans l'eau mais seulement des ions minéraux,  un contenu minéral.

Une question, aussi, à propos de la sécurité sanitaire, puisque l'on m'interroge sur la toxicité éventuelle de ces ions. Même si j'ai promis de ne plus parler de nutrition et de toxicologie, je ne peux pas m'empêcher de mettre mes amis en garde contre la consommation d'eau parfaitement pure, sans contenu minéral ! D'ailleurs les montagnards savent bien qu'il ne faut boire que très modérément la neige fondue, laquelle ne contient pas d'ions minéraux !
Pour en savoir plus : Rosborg I., Kozisek F., Selinus O., Ferrante M., Jovanovic D. (2019) Background. In: Rosborg I., Kozisek F. (eds) Drinking Water Minerals and Mineral Balance. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-18034-8_1
Et donc, oui, il nous faut des ions minéraux  dans nos boissons et nos aliments.

Mais concluons : maintenant que nous avons compris tout ce qui précède, nous ne parlerons plus de "sels minéraux" des boissons ou des aliments, mais seulement de leur contenu minéral, ou bien des ions minéraux qu'ils contiennent.

Les ions minéraux et l'organisme

 
Oui, je me suis publiquement engagé à ne parler ni de toxicologie ni de nutrition, mais des amis me demandent si l'on peut boire de la neige fondue... et la réponse est non.
Mais comme je me suis engagé, je me limite à donner ici un "abstract" d'un livre scientifique sur ce thème, et à en livrer ensuite la traduction en français :

D'abord, ce qui a été publié par  Rosborg et al., Drinking Water Minerals and Mineral Balance pp 1-24 :
 

Minerals and drinking water play an important role in the body. There are around 20 essential minerals for humans. Their origin is mostly the bedrock, and they can all be present to high or low concentrations in ground as well as surface water. Normal weight adults need 2.0–2.5 L/day of water for proper hydration, and it is known for centuries that water can be a source of minerals, where they are present as ions, in general readily absorbable. In the eighteenth and nineteenth century well off people in Europe went to health resorts to drink specific mineral waters containing sufficient levels of one or more essential minerals, water chosen for a specific health disorders. On the other hand, case histories from alpine climbing or polar expeditions which used melted snow as the only source of drinking water, with no minerals at all in it, appeared in scientific literature in mid twentieth century. The symptoms were derived from acute water and mineral imbalance and water intoxication, and include weakness, fatigue, convulsions, unconsciousness, and even death. Such water is comparable to RO (Reverse Osmosis) treated, desalinated water of today. Low levels of specific mineral elements have been proven to cause some diseases and symptoms. Thus, districts of Norway had high frequencies of softening of bone tissue among domestic animals (later identified as P deficient soils and water), and parts of China had increased levels of heart failure (low Se in soils and water). Dental remains of Native Americans from parts of Kentucky indicate Mn and Zn deficient soils and water, as cultivated maize had extremely low levels. During the twentieth century, hard water, with elevated levels of especially Ca, Mg and HCO3, presently with focus on Mg, is proven protective against diseases, especially cardiovascular diseases, but also diabetes, osteoporosis and even cancer.

Et en voici la traduction :

Les minéraux et l'eau potable jouent un rôle important dans l'organisme. Il existe environ 20 ions minéraux essentiels pour l'espèce humaine. Ils proviennent principalement des roches terrestres et peuvent tous être présents à des concentrations élevées ou faibles dans les eaux souterraines et de surface. Les adultes de poids normal ont besoin de 2,0 à 2,5 L/jour d'eau pour s'hydrater correctement, et l'on sait depuis des siècles que l'eau peut être une source de minéraux, où ils sont présents sous forme d'ions, en général facilement absorbables. Aux XVIIIe et XIXe siècles, les Européens aisés en Europe se rendaient dans des stations thermales pour boire des eaux minérales spécifiques, contenant des niveaux suffisants d'un ou plusieurs minéraux essentiels, choisie pour des troubles de santé spécifique. D'autre part, des troubles ont été signalés  au milieu du XXe siècle chez des alpinistes ou des membres d'expéditions polaires dont la neige fondue était la seule source d'eau potable, sans aucun minéral. Les symptômes étaient dus à un déséquilibre aigu de l'eau et des minéraux et à un déséquilibre ionique de l'eau ; il s'agissait de  faiblesse,  fatigue,  convulsions, inconscience, et même la mort. Cette eau est comparable à l'eau traitée par osmose inverse (RO) et dessalée d'aujourd'hui. Il a été prouvé que de faibles niveaux d'éléments minéraux spécifiques sont à l'origine de certaines maladies et symptômes. Ainsi, dans certains districts de Norvège, les animaux domestiques présentaient des fréquences élevées de ramollissement du tissu osseux (on a identifié que les sols et les eaux étaient déficients en phosphore), et, dans certaines régions de Chine, l'incidence augmentée des insuffisances cardiaques était  due à de faibles teneurs en sélénium dans les sols et  dans les eaux. Les restes dentaires d'Amérindiens de certaines régions du Kentucky révèlent des déficiences en manganèse et en zinc, dans les sols, les eaux, le maïs cultivé. Au cours du XXe siècle, l'eau dure, avec des niveaux élevés de calcium, magnésium et hydrogénocarbonate (un effort est fait aujourd'hui pour le magnésium) s'est avérée protectrice contre les maladies, en particulier les maladies cardiovasculaires, mais aussi le diabète, l'ostéoporose et même le cancer.

Voilà : ne buvons pas trop de neige fondue !

Je vous présente le chlorure de sodium

Aujourd'hui, des amis m'interrogent à propos de chlorure de sodium. De quoi s'agit-il ?

Pour expliquer la chose, et pour expliquer pourquoi le chlorure de sodium n'est pas exactement le sel de table, il est bon de reprendre les choses d'un point de vue historique et technique.

Partons donc de la mer, qui est de l'eau salée. Si on évapore l'eau (dans une poêle ou dans un marais salants), on récupère des cristaux plus ou moins blancs, et que l'on a nommés cristaux de sel. On peut aussi extraire des cristaux de sel de mines, et c'est alors du "sel gemme".
Si l'on s'y prend bien, on peut recristallier ces matières et obtenir des cristaux très blancs, qui sont alors du chlorure de sodium quasiment pur. Cette fois, ces cristaux sont des assemblages  réguliers de deux types d'atomes : des atomes de sodium, et des atomes de chlore. Et comme ces atomes s'échangent des électrons, on les nomme des ions.

Mais le monde est imparfait, et quand on cristallise le sel à partir de la mer, les cristaux ne sont pas exclusivement composés d'atomes de chlore et de sodium. Il y a des atomes d'iode, de potassium, et plein d'autres ions que l'on pourrait nommer impuretés, non pas que ces atomes soit moins bien que ceux de chlore et sodium (il y a même de l'or, dans le lot), mais qu'il ne font pas partie du chlorure de sodium.
 Autrement dit, le sel marin stricto sensu n'est pas stricto sensu du chlorure de sodium puisqu'il contient des impuretés , et il en va de même pour le sel gemme. La différence n'est pas grande quand les sels sont raffinés mais elle peut le devenir pour le sel gris, pour le sel de mer non raffiné, et là, le contenu en ions autre que chlore et sodium peut-être important, ce qui explique d'ailleurs que le sel puisse parfois être non seulement salé, mais aussi un peu amer : les ions calcium confèrent une certaine amertume, quand ils sont abondants, ce qui doit nous conduire d'ailleurs à observer que notre appareil sensoriel détecte parfaitement ce calcium essentiel pour la constitution de notre organisme. La découverte n'est pas très ancienne, et elle préfigure sans doute d'autres découvertes du même type.