4.1 Avant-propos
Autant prévenir à l’avance, ce n’est pas le chapitre le plus excitant que nous abordons ici, mais il pose des définitions fondamentales pour la suite. De toutes façons, vous devriez connaître la plupart des définitions, elles ont été vues au lycée.
4.2 À l’échelle du noyau
4.2.1 Nucléons et noyaux
On sait que la matière est composée de molécules et d’ions, eux-même composés d’un noyau et de ce que nous appellerons pudiquement uncortège électronique sur lequel nous reviendrons plus tard.
Les noyaux sont composés de nucléons, eux-mêmes divisés entre lesprotons et les neutrons mais liés entre eux par une force fondamentale : l’interaction forte.
Nucléons
On appellenucléon les deux composants du noyau, c’est-à-dire lesprotons et les neutrons.
On retiendra :
– proton :mp '1,6×10−27 kg, qp '1,6×10−19 C ; – neutron :mn'1,6×10−27 kg, qn= 0 C.
On représente un noyau par la notation :
AZX
où Z est lenombre de charge, c’est-à-dire le nombre de protons du noyau, et A est le nombre de masse, c’est-à-dire le nombre de nucléons du noyaux (et donc sa masse en unité de masse atomique, avec 1 u'1,67×10−27kg).
Deux noyaux peuvent avoir le même nombre de charge mais un nombre de masse différent, notamment les noyaux de Aélevé dit lourds.
4. Composition de la matière 4.3. À l’échelle de la molécule
Isotope
On appelle isotope deux noyaux de même nombre de charge Z, mais de nombre de masse A différent.
On appelleabondance isotopiquela fraction molaire des divers isotopes présents dans un échantillon donné.
4.2.2 Transformation nucléaire
L’étude des réactions nucléaires sort du cadre du programme officiel des CPGE. Nous nous conten- terons de les définir pour cerner ce qui les sépare des réactions chimiques, et plus tard, d’en étudier la cinétique.
Transformation nucléaire
On appelle transformation nucléaire une réaction de la matière qui modifie la structure des noyaux, c’est-à-dire la répartition des nucléons des divers noyaux impliqués.
Une transformation nucléaire conserve le nombre total de protons et de neutrons, mais perd de la masse sous forme d’énergie.
Exemple
La transformation nucléaire qui a lieu dans un réacteur nucléaire, peut être modélisée par l’équation de réaction suivante :
235
92U +10n =14657La +8735Br + 310n
On remarque que le nombre de nucléons, et celui des protons est conservé : ( 92 + 0 = 57 + 35 + 3×0
(235−92) + (1−0) = (146−57) + (87−35) + 3×(1−0)
Pourtant avec :
235U : m= 235,044 u
146La : m= 145,943 u
87Br : m= 86,912 u
1n : m= 1,0087 u
, on en déduit un défaut de masse :
∆m= (mLa+mBr+3mn)−(mU+mn)' −0,171 u
Cette masse, perdue lors de la réaction, est fournie au milieu extérieur sous forme d’énergie, qui peut être calculée par la relation :
E = ∆mc2 '159 MeV
4.3 À l’échelle de la molécule
Ainsi, lors de l’étude de réactions chimiques, on n’accorde que très peu d’importance à la nature isotopique du noyau. Seule la masse moyenne et surtout le nombre de chargeZ vont jouer un rôle dans une réaction chimique.
Éléments chimiques
On appelleélément chimiquela famille d’atomes dont le noyau compte le même nombre de protons Z et incluant donc tous les isotopes.
Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z et désigné par son symbole chimique.
ZX
Les éléments chimiques observés aujourd’hui sont au nombre de 118 et sont répertoriés dans le tableau périodique des éléments de Mendéleiev représenté ci-dessous.
Fig. 4.1 – Tableau périodique des éléments - Michka B, CC BY-SA 3.0
4.3.2 Les espèces chimiques
Dans un laboratoire de chimie, on ne manipule généralement pas les éléments chimiques individuel- lement. On les prend généralement en très grande quantités et arrangés sous forme de molécules ou ions.
Molécule & ions
On appellemolécule toute entité chimique électriquement neutre comprenant plus d’un atome.
On appelle ion toute molécule ou atome portant une charge. Les ions chargés positivement sont appelés cations, ceux chargés négativement sont les anions.
Ce passage à l’échelle macroscopique, nous conduit à introduire une unité de quantité de matière plus pertinente : la mole.
4. Composition de la matière 4.3. À l’échelle de la molécule
Mole
On appellemole la quantité de matière d’un système contenant autant d’entités qu’il y a d’atomes dans 12 g de carbone 126C pur.
Ce nombre est donné par la constante d’Avogadro :
NA= 6,02×1023 mol−1
Cette quantité de matière permet de définir la masse moyenne des éléments chimiques que l’on ex- prime en masse molaire, c’est-à-dire en masse d’une mole de l’élément chimique (donc contenant ses isotopes).
Masse molaire
On appelle masse molaire d’un élément chimique X, notéeMX et exprimée en g.mol−1, la masse d’une mole de cet élément chimique.
4.3.3 Les transformations chimiques
Les liaisons qui maintiennent entre eux les atomes qui composent les espèce chimiques sont plus ou moins stables et ces espèces chimiques sont très souvent modifiées lors de transformations chimiques.
Transformation chimique
On appelle transformation chimique une réaction de la matière qui modifie la structure des espèces chimiques, c’est-à-dire la répartition des éléments chimiques entre les molécules et ions impliqués.
Une transformation chimique conserve les éléments chimiques et la charge totale. Elle peut libérer ou consommer de l’énergie thermique ou électrique.
Exemple
La combustion du méthane peut être modélisée par l’équation de réaction chimique suivante : CH4+ 2 O2= CO2+ 2 H2O
Le nombre d’éléments carbone C est conservé, tout comme celui de l’élément O (2×2 = 2 + 2×1), ou celui de l’hydrogène H (4 = 2×2).
La charge totale des réactifs (CH4 et O2) est nulle, tout comme celle des produits (CO2 et H2O).
L’énergie libérée par cette réaction est de l’ordre de Q ' −890 kJ.mol−1, ce qui, ramené à une molécule de méthane donne :
E '9,2 eV
On est donc très loin des énergies mises en jeu par les transformations nucléaires.
On rappelle que les espèces chimiques écrites à gauche des signes = , −−→ , ←−− ou −−)−−* sont
Une même équation de réaction peut être écrite avec des nombres stœchiométriques différents, tant que le bilan de l’équation est préservé. En particulier, un nombre stœchiométrique fractionnaire n’est pas à exclure. L’écriture suivante est tout à fait licite :
1
2CH4+ O2=1
2CO2+ H2O
On verra également, mais essentiellement en deuxième année, que l’on peut avoir intérêt à manipuler des nombresstœchiométriques algébriques en écrivant la même équation sous la forme :
0−−−1
2CH4−O2+1
2CO2+ H2O
4.4 À l’échelle de l’échantillon
4.4.1 Corps pur & mélanges
Comme nous le verrons dans les chapitres dédiés aux équilibres chimiques, à la thermochimie ou même à la thermodynamique en général, il est important de pouvoir décrire la composition que va prendre tel ou tel système.
Corps pur & mélange
On appellecorps pur tout échantillon qui ne contient qu’une seule espèce chimique.
On appellemélange tout échantillon qui contient plusieurs espèces chimiques différentes.
Parmi les mélanges, on parlera souvent de solutions : Solution
On appelle solution tout mélange composé d’une seule phase, dans lequel un ou plusieurs consti- tuant(s) minoritaire(s), appelé(s)soluté(s)est dissout dans un constituant largement majoritaire : lesolvant.
Pour décrire ces solutions, nous emploierons des grandeurs différentes en fonctions des situations rencontrées : concentration, pression partielle, fraction molaire... Mais ceci fera l’objet d’un autre chapitre.
