Qu’est-ce qui est plus lourd, entre un kilogramme de plomb et un kilogramme de plumes? Aucun, bien évidemment, mais il est certain que le kilogramme de plomb tient dans un volume nettement plus petit que le kilogramme de plumes! Cette question nous ramène aux fondamentaux, que nous allons passer en revue ici.

Il y a d’abord la matière à considérer. Dans le cas présent, nous comparons le sodium et le cuivre. Ces éléments, qui occupent la 11e place (sodium, Na), respectivement la 29e place (cuivre, Cu) du Tableau Périodique des Eléments imaginé en 1869 par le chimiste Russe Dmitri Mendeleïev.

Le sodium est en 11e position car son noyau contient 11 protons (particules élémentaires chargées positivement); le noyau contient également 12 neutrons (particules non chargées), tandis que 11 électrons (particules chargées négativement) se déplacent autour du noyau. Les électrons sont nettement plus légers (en masse absolue) que les protons et les neutrons, et la masse d’un atome de sodium est donc principalement due à son noyau.

Il en est de même pour le cuivre, mais comme il est en 29e position, il a un noyau contenant 29 protons et 34 ou 36 neutrons (cela dépend de l’isotope considéré) et il est affublé de 29 électrons.

Il y a ensuite la notion de masse et la notion de masse volumique (appelée "densité" chez les anglo-saxons), qui sont bien différentes.

La masse d’une substance, c’est ce qu’une balance nous indique (par exemple en grammes) lorsqu’on place cette substance sur le plateau. Si l’on pèse 10 milliards d’atomes de sodium, ils seront 10 fois plus lourds que 1 milliard d’atomes de sodium, et le résultat sera similaire si l’on pèse 10 milliards ou 1 milliard d’atomes de cuivre. Cependant, comme les atomes de cuivre sont plus lourds que les atomes de sodium (puisqu’il y a plus de particules élémentaires contenues dans les atomes de cuivre), la balance indiquera une masse plus élevée lorsqu’on pèsera 10 milliards d’atomes de cuivre par rapport à 10 milliards d’atomes de sodium. Précisément, la masse des atomes de cuivre sera 2.76 fois plus élevée que la masse des atomes de sodium (parce que la masse atomique du cuivre est de 63.546 unités de masse atomique, uma, tandis que la masse atomique du sodium est de 22.99 uma).

La masse volumique d’une substance, c’est ce qu’on calcule (par exemple en grammes par centimètre cube) lorsqu’on pèse un volume donné de substance sur une balance, et qu’on divise la masse pesée (par exemple en grammes) par le volume considéré (par exemple en centimètres cube). Si on prépare 1 centimètre cube de sodium et 1 centimètre cube de cuivre, puis qu’on pèse ces cubes métalliques, la balance nous indique 0.97 grammes pour le sodium (eh oui, le sodium flotte sur l’eau !), et 8.92 grammes pour le cuivre ; la masse volumique du sodium est donc de 0.97 g/cm³, tandis que la masse volumique du cuivre est de 8.92 g/cm³.

On pourrait penser que plus un noyau contient de particules élémentaires, plus sa masse volumique est élevée (on dit qu’il est plus dense). Et on pourrait en déduire que comme le cuivre est 2.76 fois plus lourd que le sodium, alors le cuivre sera 2.76 fois plus dense (aura une masse volumique 2.76 fois plus élevée) que le sodium. Mais on ne peut que constater que le rapport des masses volumiques du cuivre (8.92 g/cm³) et du sodium (0.97 g/cm³) est de 9.2; en d’autres termes, le cuivre est 2.76 fois plus lourd que le sodium (parce qu’il contient grosso modo 2.76 fois plus de particules élémentaires dans son noyau), mais il est 9.2 fois plus dense que le sodium; on peut aussi dire que le cuivre est 3.33 fois plus dense que ce qu’on aurait pu penser en se basant exclusivement sur la masse atomique de ces deux éléments.

Comment expliquer ces différences? On constate, lorsqu’on se promène d’une case à l’autre du Tableau Périodique (dans l’ordre croissant) que les masses des atomes croissent grosso modo linéairement, alors que ce n’est PAS le cas pour les masses volumiques. Lorsqu’on se promène de gauche à droite sur une ligne du Tableau Périodique, on constate que la masse volumique des éléments augmente pour atteindre un maximum (plus ou moins au milieu de la ligne), avant de rediminuer pour atteindre une valeur très basse sur l’élément situé tout à droite de la ligne.

Ce comportement s’explique par le fait que les atomes d’un corps pur (par exemple, ici, le sodium pur, respectivement le cuivre pur) peuvent interagir plus ou moins fortement et se compacter plus ou moins efficacement dans l’espace qu’ils occupent.

Tout à droite du Tableau Périodique se trouvent les éléments qu’on appelle les Gaz Rares; ces éléments ont la caractéristique de ne pas interagir entre eux (ni, même, avec d’autres éléments); il en résulte que les atomes d’un gaz rare occupent un volume élevé puisqu’ils ne se compactent pas l’un par rapport à l’autre, et donc que la masse volumique des gaz rares est faible (puisque la masse du gaz se répartit dans un grand volume).

Tout à gauche du Tableau Périodique, les éléments (qu’on appelle les Métaux Alcalins) ont une configuration électronique qui est très proche de celle du gaz rare situé sur la ligne juste au-dessus (par exemple, le sodium, numéro 11, est "presque comme" le néon, numéro 10), et il en résulte que les métaux alcalins ne se compactent pas fortement l’un par rapport à l’autre, et ils exhibent ainsi une masse volumique relativement faible.

Voilà donc les raisons pour lesquelles le sodium est moins lourd, mais surtout moins dense, que le cuivre!