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 !

Des âneries sur des sites pourtant officiels

Là, allant sur un site officiel de toxicologie, je vois le mot "substance" utilisé pour "espèce chimique". Vite, chers collègues, corrigez votre document, sous peine que l'on ne vous mette un bonnet d'âne (savant).

Car c'est pour le bien des apprenants, et aussi de tous nos concitoyens, que nous devons pourchasser les confusions : de même que les huiles ne sont pas faites d'acides gras, de même que les protéines ne sont pas de simples "assemblages" d'acides aminés, les molécules ne sont pas des composés ni des espèces chimiques, et les composés ou les espèces chimiques ne sont pas des "substances".

Me connaissant, on se doute bien que je ne dis pas cela au hasard, mais que je me fonde sur des documents parfaitement officiels, internationalement acceptés, tels ceux de l'IUPAC, ou sur des discussions abondantes qui trouvent leur place dans des publications scientifiques (avec évaluations serrées par des pairs), tel le Journal of Chemical Education. En français, il  aura aussi le Bulletin de l'Union des Physiciens, par exemple, ou l'Actualité chimique. Et bien d'autres.
Bref, des documents que ceux qui parlent de chimie, ou qui en utilisent les notions, devraient bien consulter (je parle évidemment pour ceux qui ne le font pas, et pas pour ceux qui le font).


Commençons par le plus simple : la "substance".

Et commençons par aller sur un dictionnaire officiel de la langue française,  le Trésor de la langue française informatisé, du CNRS et de l'Université de Nancy, qui nous dit :
Philosophie :  Ce qui existe en soi, de manière permanente par opposition à ce qui change.
 Ce dont un corps est fait. Synon. matière.
 Matière organique ou inorganique, produit chimique caractérisé(e) par sa spécificité, sa nature, son état ou ses propriétés.
Empr. au lat. substantia « être, essence, existence, réalité d'une chose » et tardivement « aliments, nourriture; moyens de subsistance, biens, fortune » (de substare « être dessous, se tenir dessous »).

Bref, la substance, c'est l'objet matériel : l'eau est une substance, ainsi que la terre ou l'air.

Qu'en disent-les instances internationales de chimie ? Je trouve  (https://doi.org/10.1351/goldbook.C01039) :
Chemical substance : Matter of constant composition best characterized by the entities (molecules, formula units, atoms) it is composed of. Physical properties such as density, refractive index , electric conductivity, melting point etc. characterize the chemical substance.

Oui, la substance est composée de molécules, atomes, etc. Et c'est pourquoi nous devons arriver d'abord à ces derniers. Commençons par...


Molécules et atomes, mais aussi ions, par exemple

Là, il nous faut rêver à l'existence d'un "super-microscope", qui nous permettrait de voir au coeur des substances.
Pour l'eau, ce liquide, cette substance liquide, nous verrions des objets tous identiques, qui sont des molécules d'eau. Et chaque molécule d'eau est fait d'atomes.
Pour le sucre de table, nous verrions que les cristaux qui font le sucre en poudre sont en fait des empilements réguliers (des cristaux) de molécules toutes identifiques, qui sont des molécule de saccharose. Et ces molécules de saccharose font faites d'atomes, de carbone, d'oxygène ou d'hydrogène.
Pour le sel de table très pur, nous verrions que les cristaux sont des empilements réguliers d'atomes (de chlore et de sodium, alternés), mais ces atomes sont nommés "ions", car ils se sont échangés des électrons.
Pour un métal, tel le fer, encore des atomes, et qui ont mis des électrons en commun.


Et les composés ? Et les éléments ?

Reste le troisième terme évoqué en introduction : celui de composé, que je rapproche d' "espèce chimique".
Un composé, une espèce chimique, c'est une catégorie particulière de molécules toutes identiques. L'éthanol est un composé : et les molécules d'éthanol sont faites d'atomes (de carbone, hydrogène, oxygène).
Mais il y a une différence entre l'éthanol matière, et l'éthanol composé. Pour l'éthanol absolu, à la température ambiante, il y a la substance, la matière. Le composé, lui, est une catégorie. Idem pour l'espèce chimique. 

D'ailleurs, très honnêtement, le terme d'espèces chimique est plus large que celui de composé, puisque l'« espèce chimique » est une appellation générique se référant à un ensemble d'entités chimiques identiques : ces entités sont soit un atome (espèce chimique atomique), soit un groupe d'atomes liés qui peut, selon sa charge électrique et sa configuration électronique, être une molécule, un ion ou un radical.