Tout dans le monde, qu’il soit naturel ou synthétique, est constitué de minuscules structures appelées atomes, qui sont constituées de protons, de neutrons et d’électrons. Les protons ont une charge positive, les neutrons n’ont pas de charge et les électrons ont une charge négative. L’équilibre de ces particules détermine la charge globale d’un atome. Un objet avec une charge positive, comme une personne après avoir frotté vigoureusement des pieds couverts de chaussettes sur un tapis, contient plus de particules positives (protons) que négatives (électrons). Étant donné que les atomes positifs sont attirés par les négatifs et repoussés par d’autres positifs, les charges des atomes qui composent un morceau de matière influencent fortement ses propriétés et son comportement.
Charges atomiques
Les atomes, qui sont l’unité de base de la matière, ont un noyau composé de protons et de neutrons, autour duquel sont liés un ou plusieurs électrons. Le nombre de protons détermine de quel élément est l’atome et est donné comme son numéro atomique. Par exemple, le magnésium a 12 protons, ce qui lui donne le numéro atomique 12, tandis que l’oxygène en a huit. Lorsque les atomes se rejoignent, ils deviennent des molécules.
Les électrons et les protons n’ont pas la même taille et le même poids – les électrons sont plus petits et plus légers que les protons – mais ils ont la même quantité de charge. C’est-à-dire qu’un nombre correspondant de protons et d’électrons s’annulent en termes de charge globale. Parce que les neutrons sont neutres, leur nombre n’affecte pas la charge d’un atome.
Bien que le nombre total de particules subatomiques d’un atome varie, les atomes sont généralement équilibrés électriquement, avec un nombre égal de protons et d’électrons. Cela signifie que naturellement, les atomes ont une charge neutre, mais cela peut changer en gagnant ou en perdant des électrons par des processus chimiques et physiques. Lorsqu’un électron est perdu, l’équilibre se déplace avec un proton supplémentaire, donnant à l’atome une charge positive. L’inverse est vrai pour les atomes chargés négativement, qui ont gagné un électron. Lorsque l’équilibre des particules est perturbé, produisant un atome (ou une molécule) positif ou négatif, ils ne sont plus appelés atomes. Au lieu de cela, ce sont des ions, avec des positifs appelés cations et des négatifs appelés anions.
Charge et comportement
La charge qu’un objet a influence la façon dont il réagit à son environnement. Les cations sont attirés par les anions, par exemple, mais sont repoussés par d’autres cations. De même, les atomes chargés négativement se repoussent. Ce comportement est appelé loi de Coulomb.
Les atomes positifs n’attirent ni ne repoussent les atomes neutres, mais grâce à un phénomène appelé induction électrostatique, une attraction peut être créée. Cela se produit parce que les électrons de certaines molécules ont tendance à devenir plus mobiles lorsqu’une charge positive est proche. Les électrons de la molécule neutre sont alors capables de se déplacer vers la source de la charge positive. Le mouvement crée une charge négative au point le plus proche de la source, bien que la molécule soit globalement inchangée. Ce phénomène se produit le plus souvent avec les métaux, c’est ce qui permet à une charge électrique de les traverser.
Applications quotidiennes
De nombreux objets et processus du quotidien utilisent des charges positives. Lorsque le linge culbute dans une sécheuse, par exemple, le mouvement provoque le déplacement des électrons des atomes à la surface de certains articles vers d’autres, donnant aux vêtements des charges différentes. C’est ce qui conduit à l’adhérence statique, car les particules désormais chargées positivement et négativement sont attirées les unes vers les autres et font que les vêtements collent ensemble. Les feuilles de séchage contiennent généralement des produits chimiques qui ont une charge positive, qui déteint sur les articles, aidant à rendre les négatifs à nouveau neutres.
Un autre exemple est l’imprimante laser, qui imprime du texte et des images sur papier en créant une série de charges positives et négatives. Lorsqu’un travail d’impression commence, le laser écrit en transférant de l’électricité statique chargée négativement à un cylindre avec une charge positive. Le toner, qui est également positif, est ensuite appliqué sur le cylindre et est attiré vers les zones négatives. Le cylindre est ensuite enroulé sur une feuille de papier chargée négativement et le toner s’y lie.
Molécules Biologiques
Le total combiné de tous les atomes et ions qui font partie d’une molécule biologique est connu comme sa charge nette. La plupart des molécules sont globalement neutres, mais les plus grosses ont tendance à avoir une ou plusieurs zones discrètes qui présentent une charge négative ou positive. Ces zones influencent fortement la façon dont la molécule se replie et la façon dont elle interagit avec d’autres molécules. Par exemple, l’ADN et l’ARN sont tous deux des acides nucléiques, mais ils se comportent très différemment en partie parce que leurs charges sont réparties différemment le long de leurs surfaces.
La recherche scientifique nécessite souvent des informations sur les charges des atomes et des molécules, car elle affecte le comportement des molécules biologiquement actives. Un domaine particulier où la manipulation des charges moléculaires est très utile est la conception rationnelle de médicaments. Les chercheurs dans ce domaine travaillent au développement de médicaments plus efficaces, dans certains cas en manipulant la charge d’un médicament potentiel pour le faire interagir plus efficacement avec sa cible.