2 nde Physique- Chimie. Thème : CONSTITUTION ET TRANSFORMATION DE LA MATIERE. Chap. P8 (Chap. 8 du livre, page 148)

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2^nde Physique- Chimie

Thème : CONSTITUTION ET TRANSFORMATION DE LA MATIERE Chap. P8

(Chap. 8 du livre, page 148)

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I) les isotopes . I-1 définition :

Rappel :

Un atome est symbolisé par

une ou deux lettres

. La première s’écrit toujours en majuscule et la deuxième en minuscule. Le symbole correspond souvent au début du nom de l’atome mais certains sont issus du nom latin comme K(kalium) symbole du potassium. La représentation conventionnelle du noyau d’un atome est :

A X

Z

X : symbole de l’atome

A représente le nombre de nucléons(protons + neutron)

Z représente le nombre de protons (il y a également Z électrons car l’atome est électriquement neutre) Il y a N = A-Z neutrons dans le noyau.

A partir des différents isotopes de l’hydrogène, en déduire la définition de noyaux isotopes : Les atomes ayant le même nombre de

protons

mais des nombres de neutrons (donc de nucléons) différents sont des atomes isotopes. Des isotopes appartiennent au même

élément chimique

chimiques.

Constitution et

transformation de la matière

Transformation nucléaire

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I-2 exemple d’isotope :

De nombreux atomes possèdent plusieurs isotopes naturels. Chaque isotope est présent dans des proportions connues, dépendant de l’atome considéré.

Exemple : il existe 3 isotopes du carbone, les carbones 12, 13 et 14 de formules respectives : noyaux des atomes

isotopes

nombre de nucléon A nombre de proton Z nombre de neutron N

𝐶 12 6 6

𝐶 13 6 7

𝐶 14 6 8

Remplir le tableau ci-dessous et expliquer pourquoi ces atomes sont isotopes.

Ces atomes sont isotopes car ils ont le même nombre de protons, mais un nombre de neutrons différents.

La datation :

Le diamant, constitué uniquement d’atomes de carbone, ne contient que l’isotope 12 (98,9%) et le 13 (1,1%). Le carbone 14, présent dans les animaux et les végétaux permet de dater les objets anciens réalisés à partir de matériaux vivants (bois, tissus …). Dater un échantillon au carbone 14, consiste à mesurer la teneur en carbone 14 actuelle et de la comparer à celle qu’il avait lors de sa formation. On suppose pour cela que la teneur en carbone 14 est restée constante au cours des 40 000 dernières années. Cette technique permet de dater le « passé » jusqu’aux environs de 45 000 ans avant J.C.

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II) transformation nucléaire II-1 définition :

a) Réaction de fission :

Vidéo : http://www.cea.fr/multimedia/Pages/animations/radioactivite/fission.aspx b) Réaction de fusion :

Vidéo :

http://www.cea.fr/multimedia/pages/animations/radioactivite/reaction-de- fusion.aspx?g_2fad7b04_4713_4e43_997c_ee5e42bbf6ec=2

A compléter avec : fusion, conservés, fission,

Au cours d’une transformation nucléaire des noyaux généralement instable donnent de nouveaux noyaux.

Les éléments chimiques ne sont pas

conservés

On distingue 2 types de transformation nucléaire : - la FUSION au cours de laquelle 2 noyaux légers donnent un noyau plus lourd

- la FISSION : une particule (neutron, proton par exemple) entre en collision avec un gros noyau pour donner deux noyaux plus légers et des particules ; une fission peut se produire spontanément si le noyau est instable. C’est le cas du carbone 14 ( 𝐶).

On retiendra :

- Lors d’une transformation nucléaire , il y a modification de la composition des noyaux . - Lors d’une transformation chimique , il y a conservation des éléments chimiques

La réaction de fission nucléaire a lieu au sein des centrales nucléaires.

La fission est la

« cassure »

d’un noyau très lourd en deux noyaux de taille moyenne. Cette cassure peut être exercée sur certains atomes que l’on dit

fissile.

La fusion est le « mariage » de noyaux légers qui donne naissance à des noyaux plus lourds comme l'hélium, par exemple.

Elle s'accompagne d'une très forte

libération d'énergie

. Une réaction que l'on trouve au cœur du soleil.

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II-2 Equation de réaction nucléaire.

Pour chacune des équations de réaction nucléaire, répondre aux questions suivantes : 1) Calculer le nombre de nucléons des réactifs et des produits

2) Calculer le nombre de charge des réactifs et produits.

3) En déduire ce qui se conserve au cours d’une transformation nucléaire.

a) Réaction de fission d’un noyau d’uranium

n: neutron; U : uranium ; Ba : baryum ; Kr : krypton b) Une des réactions de fusion dans le soleil :

c) Radioactivité :

La radioactivité bêta moins ( ) concerne les noyaux instables possédant un excès de neutrons. La particule est un électron.

La notation est une notation historique qui a été adoptée alors que l'on ne connaissait pas encore la nature physique de cette particule.

Les isotopes stables du carbone sont le carbone 12 et le carbone 13

(avec une abondance naturelle de 98,9 % de carbone 12). Le carbone 14 présente un excès de neutrons par rapport à ces isotopes stables. Il se désintègre donc par radioactivité :

<

Bilan :

Une transformation nucléaire est modélisée par une équation de réaction nucléaire de la forme : 𝑋 + 𝑋 → 𝑋 + 𝑋

Lois de conservation des nucléons : A1 + A2= A3 + A4 Lois de conservation des protons : Z1 + Z2 = Z3 + Z4

Données : Application :

Compléter la réaction suivante :

Nucléons des réactifs : 236 Nucléons des produits : 236 Nb de charge réactifs : 92 Nb de charges produits ;92 Il y a conservation du nombre de nucléons ( nb de masse) et du nombre de protons .

On constate les mêmes lois de conservation que précédemment.

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II-3 énergie et transformation nucléaire

Rappel : l’unité légale d’énergie est le joule(J). 1 kJ = 10³J ; 1MJ = 10⁶J

Au cours d’une transformation chimique, physique ,ou nucléaire il y a des

échanges d’énergie

^{entre le}

système étudié et l’extérieur. L’énergie produite au cours d’une transformation nucléaire est beaucoup

plus grande

que celle produite au cours des transformations physiques ou chimiques :

transformation pour m = 1 g de matière

type de transformation (physique, chimique ou nucléaire)

énergie produite (fournie au milieu extérieur)

liquéfaction de l’eau Physique 2 kJ

combustion du butane Chimique 50 kJ

combustion du bois Chimique 35 kJ

fission de l’uranium 235 Nucléaire 80x10⁶ kJ

fusion du deutérium + tritium Nucléaire 400x10⁶ kJ

Exercice : calculer quelle masse de bois il faudrait consumer pour produire autant d’énergie qu’un gramme d’uranium.

Application des réactions nucléaires:

- produire de l’électricité à partir de la fission de l’uranium dans les centrales nucléaires : vidéo https://www.edf.fr/groupe-edf/espaces-dedies/l-energie-de-a-a-z/tout-sur-l-energie/produire-de-l- electricite/le-fonctionnement-d-une-centrale-nucleaire

- le soleil produit de la chaleur à partir de la fusion nucléaire : vidéo

https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-fusion-nucleaire-2463/

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QUELQUES APPLICATIONS :

1) Déterminer les nombres de protons Z du rubidium (Rb) et le nombre y de neutrons produit au cours de la réaction de fission de l’uranium se produisant dans un réacteur nucléaire. :

𝑈 + 𝑛 → 𝐶𝑠 + 𝑅𝑏 + 𝑦. 𝑛

235 +1 = 140 + 93 + Y  Y = 3

92 + 0 = 55 + Z  Z = 37

2) La masse d’un nucléon vaut m = 1,67x10

^-27

kg et l’énergie libérée lors de la fission d’un noyau d’uranium vaut E = 2,8x10

^-11

J. Calculer l’énergie E’ produite par la fission de m’ = 1,0 g d’uranium. La comparer avec celle produite par la combustion d’un gramme de charbon E(charbon) = 3,0x10

⁴

J

a) Nb de noyaux présents dans 1g d’Uranium = N = m(1g) = 10^-3 ( kg) = 5,99.10²³ noyaux m(1noyau) 1.67.10^-27 (kg)

N = 5,99.10²³ noyaux

b) Energie E’ produite par N noyaux ( 1g)

E’= E(1noyau) x N = 2,8.10^-11 x 5,99.10²³ =1,68.10¹³ J ; E’=1,68.10¹³ J

c) Comparaison :

Rapport = r = E (nucléaire de fission) = 1,68.10¹³ = 5,6.10⁸ E’ ( Combustion) 3.10⁴

L’énergie produite par la fission d’1g d’Uranium, est 5,6.10⁸ fois supérieure à celle obtenue par la combustion d’1g de charbon.

Autrement dit il faut 5,6.10⁸ g = 5,6.10⁵ kg = 560 tonnes de bois pour avoir l’équivalent énergétique de la combustion de 1g d’Uranium .

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Quelques liens vidéo : 1) Tableau des isotopes :

http://www.ostralo.net/3_animations/swf/masses_noyaux.swf 2) Fission nucléaire :

http://www.cea.fr/multimedia/Pages/animations/radioactivite/fission.aspx 3) Fusion Nucléaire :

http://www.cea.fr/multimedia/pages/animations/radioactivite/reaction-de- fusion.aspx?g_2fad7b04_4713_4e43_997c_ee5e42bbf6ec=2

4) Fonctionnement d’une centrale nucléaire :

https://www.edf.fr/groupe-edf/espaces-dedies/l-energie-de-a-a-z/tout-sur-l-energie/produire-de-l- electricite/le-fonctionnement-d-une-centrale-nucleaire

5) C’est pas sorcier : centrale nucléaire.

https://www.youtube.com/watch?v=0xGx22MHXJM 6) Soleil et fusion Nucléaire :

https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-fusion-nucleaire-2463/

Programme officiel :

Notions et contenus Capacités exigibles

Activités expérimentales support de la formation

B) Transformation nucléaire

Isotopes.

Écriture symbolique d’une réaction nucléaire.

Aspects énergétiques des

transformations nucléaires : Soleil, centrales nucléaires

Identifier des isotopes.

Relier l’énergie convertie dans le Soleil et dans une centrale nucléaire à des réactions nucléaires.

Identifier la nature physique, chimique ou nucléaire d’une transformation à partir de sa description ou d’une écriture symbolique modélisant la transformation.