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Mme FEDAOUI Dalila Responsable du Module De Chimie Université Badji Mokhtar Annaba département de Biologie 1 ière Année L.M.D.S.N.V cours de Chimie I.

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1 Mme FEDAOUI Dalila Responsable du Module De Chimie Université Badji Mokhtar Annaba département de Biologie 1 ière Année L.M.D.S.N.V cours de Chimie I

2 Structure de l atome. Le noyau et les é lectrons. - Les atomes sont constitu é s d un noyau tr è s dense, charg é positivement, entour é d é lectrons (charge é lectrique n é gative). -Le noyau est constitu é de deux types de particules (protons et neutrons) appel é es nucl é ons.

3 La mole est la quantité de matière contenant 6, entités (entités = molécules, atomes ou ions). Le symbole de la mole est mol. Le nombre de moles est représenté par la lettre n. 6, permet la conversion du nombre d'entités (molécules, atomes ou ions) en nombre de moles et inversement

4 Dans l'atome neutre, le nombre de protons = le nombre d'électrons : !!! Z c'est AUSSI le nombre d'électrons !!! Mais dans le cas des cas ions le nombre de proton nest pas égal au nombre délectron Un ion est un atome, ou un groupe d'atomes, ayant perdu ou gagné un ou plusieurs électrons : Un ion négatif (anion) a gagné des électrons, Un ion positif (cation) a perdu des électrons. Les isotopes: Les isotopes sont des nucléides d'un même élément dont les noyaux possèdent : le même nombre de protons (sinon ce ne serait pas le même élément) mais pas le même nombre de neutrons : même Z mais différents A le 12 C, le 13 C et le 14 C sont trois isotopes du carbone, car ils possèdent tous 6 protons. Cependant, leurs nombres de neutrons diffèrent le 12 C en a 6, le 13 C en a 7, et le 14 C en a 8. Certains isotopes, naturels ou artificiels, sont instables. Ils peuvent alors se désintégrer en émettant des rayonnements. On dit alors qu'ils sont radioactifs. Les isotopes radioactifs sont parfois appelés radio-isotopes. Par exemple, le 12 C et le 13 C sont stables alors que le 14 C est radioactif

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6 Abondance des isotopes : L'élément est souvent constitué de plusieurs isotopes présents dans diverses proportions nommées abondance :

7 1)-Historique. La radioactivité a été découverte par Henri BECQUEREL en 1896 (1852 – 1908). Il découvre la radioactivité de luranium au cours de travaux sur la phosphorescence. Les travaux sont poursuivis par Pierre et Marie CURIE. En 1898, ils découvrent la radioactivité du polonium Po 210 et du radium Ra 226. En 1903 : prix Nobel de physique (Henri BECQUEREL avec Pierre et Marie CURIE). La radioactivité artificielle fut mise en évidence en 1934 par Irène et Frédéric JOLIOT – CURIE. Ils ont crée par réaction nucléaire un isotope radioactif du phosphore. On connaît actuellement, une cinquantaine de nucléides naturels radioactifs et environ 1200 nucléides artificiels radioactifs. 2) Définition : Un noyau radioactif est un noyau instable dont la désintégration (destruction) provoque l'apparition d'un nouveau noyau, l'émission d'une particule notée α, β - ou β +, et fréquemment l'émission d'un rayonnement électromagnétique noté γ. La radioactivité est une réaction dite nucléaire car elle concerne le noyau de l'atome par opposition aux réactions chimiques qui ne concernent que le cortège électronique sans modifier le noyau. La radioactivité

8 Lorsquun noyau A Z X est instable, il subit une transformation spontanée conduisant à la formation dun nouveau noyau A Z Y. Ce phénomène porte le nom de radioactivité - A Z X est appelé le noyau père et A Z Y. est appelé le noyau fils. - Cette transformation radioactive saccompagne de lémission de particules et de rayonnements électromagnétiques. Les particules (alpha). Ce sont des particules représentant, des noyaux dhélium dont lécriture symbolique : 4 2 He Elles sont arrêtées par une feuille de papier et par une épaisseur de quelques centimètres dair. elles ne sont pas dangereuses pour la peau. Par contre, elles sont dangereuses par absorption interne : inhalation, ingestion. L'équation s'écrit : A Z X A-4 Z-2 Y He La radioactivité α concernent les noyaux lourds ( Z > 83 )

9 Les particules (bêta).On distingue : - Les particules - qui sont des électrons : 0 -1 e Elles pénètrent la peau sur une épaisseur de quelques millimètres. Elles sont dangereuses pour la peau. l'équation s'écrit : A Z X A Z+1 Y e - Les particules β + qui sont des positons 0 +1 e l équation de la désintégration s'écrit : A Z X A Z-1 Y e Désexcitation γ : Le noyau fils est en général obtenu dans un état excité (niveau d'énergie élevé), il est noté Y*. Cet état est instable, le noyau se désexcite en évacuant cette énergie excédentaire, en émettant un rayonnement électromagnétique γ( particules très énergétiques appelées photons ). Equation d'une émission γ : Y* Y + γ

10 Les lois de la radioactivité 1.La décroissance radioactive Définition : Le nombre, dN, de désintégrations nucléaires spontanées qui se produisent dans une quantité donnée de matière pendant un temps infiniment petit, dt, est proportionnel au nombre d'atomes radioactifs (N) et au temps (dt) selon la relation dN = -. N. dt (1) où est la constante radioactive Par intégration, on obtient : N t = N 0. exp (-. t) (2) N t : nombre datome radioactif à un instant t N 0 : nombre datome radioactif initial (100%) t: temps

11 2. La période radioactive : T Définition : La période radioactive d'un radionucléide, T, est le temps nécessaire pour que la moitié des atomes radioactifs présents initialement se soient désintégrés. Au bout d'un temps t correspondant à une période, T, on a donc : N T = N 0 / 2 = N 0. exp (-. T) soit :. T = Ln 2 et donc : T = 0,693 / (3) La période radioactive d'un radionucléide est une caractéristique de celui-ci et sa valeur est extrêmement variable : exemple : Po (polonium) = 0, seconde (thorium) = 1, ans

12 3. L'activité : A Définition : L'activité A d'un radionucléide est le nombre de désintégrations qui se produisent par unité de temps dans une quantité donnée de ce radionucléide L'activité représente donc la vitesse de désintégration du radionucléïde : A = dN / dt des relations (1) et (2), on obtient : A =. N = (0,693 / T). N (4) On peut ainsi montrer que : A t = A 0. exp (-. t) (5) L'unité est le BECQUEREL (Bq): 1 Bq = 1 désintégration par seconde L'ancienne unité encore très utilisée est le Curie (Ci): 1 Ci = 3, d.p.sCurie

13 4. La relation masse-activité La masse molaire M d'un radionucléide est la masse de N atomes où N = nombre d'Avogadro = 6, ; La masse m de N t atomes correspondant à une activité A, est : M. N t m = N et aussi M. N 0 m 0 = N On obtient la relation: m t = m 0. exp (-. t)

14 La méthode de datation au carbone 14 Les 3 principaux isotopes naturels du carbone sont : Isotope 12 6 C – stable 13 6 C – stable 14 6 C – radioactif En conséquence, dans les organismes vivants, il existe 1 atome de carbone 14 pour atomes de carbone 12. Le carbone 14 est présent dans latmosphère. l'isotope 14 du carbone est formé dans la haute atmosphère via les radiations des neutrons cosmiques sur l'azote 14 selon la réaction : 14 7 N n ---> 14 6 C p le carbone 14est rapidement oxydé en 14 6 CO 2 tous les organismes vivants échangent du dioxyde de carbone avec latmosphère donc 14 6 CO 2 intègre le cycle cellulaire via la photosynthèse(plante) et l'alimentation (animaux) ; ainsi les organismes vivants échangent du carbone 12 contre du carbone 14 tout au long de leur existence. La proportion de cet isotope chez les organismes vivants est à peu prés équivalente à celle détectée dans l'atmosphère ; quand les organismes meurent, l'échange est arrêté et le stock de carbone 14 commence à décroître selon la période de cet isotope.

15 Période de demi-vie théorique de 5730 ± 40 ans (Godwin, 1962). Conventions internationales : 5568 ± 30 ans (Libby, 1951). Le 14 C soxyde en dioxyde de carbone se mélangeant au CO2 de latmosphère et des océans. Le 14 CO2 ainsi formé est métabolisé par les plantes (photosynthèse), puis à travers elles, par tous les organismes vivants. Le cycle du carbone

16 1)Principe : La proportion de carbone 14 dans les tissus est donc identique à celle de l'atmosphère tant que l'organisme est en vie. A leur mort, la quantité de carbone 14 diminue selon la loi de décroissance radioactive. Un échantillon de matière organique issu de cet organisme peut donc être daté en mesurant soit le rapport 14 C/ 12 C total avec un spectromètre de masse, moins la teneur en 14 6 C est élevée, plus la date de la mort est ancienne.spectromètre de masse Ou bien Il suffit de Comparer A0 et At pour la détermination de lâge.

17 Pour chaque organisme le taux de 14 C reste constant tout au long de sa vie (échanges métaboliques). Dès sa mort, il n'y a plus de renouvellement de 14 C, cest alors que son taux commence à décroître (radioactive decay) alors que les taux de 12 C et 13 C restent identiques. Il suffit de Comparer A 0 et A t pour la détermination de lâge. L'âge est calculé à partir de la formule de décroissance exponentielle radioactive : At = A0 · exp(- t) ; avec = Ln2/t½ Ou directement par la formule suivante : t = (Ln A0 – Ln At) · 8033 ans

18 Equivalence masse énergie : 1) Relation d'Einstein : En 1905, en élaborant la théorie de la relativité restreinte, Einstein postule que la masse est une des formes de l'énergie : Un système au repos, de masse m possède une énergie de masse : E : énergie de masse en joules (J) E = m.c 2 avec m : masse en kilogrammes (kg) c : vitesse de la lumière dans le vide ( c = 3, m.s -1 ) (relation d'équivalence masse-énergie) Conséquence : Si le système (au repos) échange de l'énergie avec le milieu extérieur, (par rayonnement ou par transfert thermique par exemple), sa variation d'énergie ΔE et sa variation de masse Δm sont liées par la relation : ΔE = Δm. C 2 Si Δm < 0 alors ΔE < 0, le système cède de l'énergie au milieu extérieur et sa masse diminue. * Si Δm > 0 alors ΔE > 0, le système reçoit de l'énergie du milieu extérieur et sa masse augmente.

19 2) Unités : A l'échelle atomique, l'unité joule est inadaptée, trop grande ; on utilise plutôt l'électron volt, eV : 1 eV= 1, J et aussi le MeV: 1 MeV = 10 6 eV = 1, J. exemple : Déterminer l'énergie de masse E d'un proton en J et en MeV : ( mp = 1, kg ) E = mp. c 2 = 1, x (3, ) 2 1, J 939 MeV Remarque : A cette échelle, l'unité kg est aussi inadaptée, on utilise parfois l'unité de masse atomique notée u.m.a. Elle est égale au douzième de la masse d'un atome de carbone 12 6 C. 1 u.m.a = M( 12 6 C ) / ( 12 NA ) = 12, / (12 x 6, ) = 1, kg

20 Energie de liaison du noyau : 1) Défaut de masse du noyau : On a constaté en mesurant les masses que la masse du noyau atomique est inférieure à la somme des masses des protons m p et des neutrons m n qui le constituent : m noyau < Z.m p + (A-Z).m n Cette différence est appelée défaut de masse Δm : Δm = Z.m p + (A - Z).m n - m noyau ( Δm > 0 ) 2) Energie de liaison du noyau : Définition: On appelle énergie de liaison d'un noyau, notée E l, l'énergie que le milieu extérieur doit fournir à un noyau au repos pour le dissocier en nucléons séparés au repos. Lorsque le noyau se dissocie, la masse augmente de Δm et l'énergie de Δm.c 2. L'énergie de liaison d'un noyau a pour expression : E l : énergie de liaison du noyau (en J) à convertir en MeV E l = Δm.c 2 avec Δm : défaut de masse du noyau (en kg) c : célérité de la lumière dans le vide (en m.s -1 )

21 3) Energie de liaison par nucléon : Définition: L'énergie de liaison par nucléon d'un noyau notée EA est le quotient de son énergie de liaison par le nombre de ses nucléons. EA: énergie de liaison par nucléon (en Mev/nucléon) E A = E 1 / A avec El: énergie de liaison du noyau (en Mev) A: nombre de nucléons du noyau Pour un noyau d'hélium : E A = E l / 4 = 28,4 / 4 = 7,10 MeV / nucléon Remarque: E A permet de comparer la stabilité des noyaux entre eux. Plus l'énergie de liaison par nucléon est grande, plus le noyau est stable. Fission et fusion nucléaires : 1)Réactions nucléaires provoquées : Définition: Une réaction nucléaire est dite provoquée lorsqu'un noyau cible est frappé par un noyau projectile et donne naissance à de nouveaux noyaux.

22 2) La fission nucléaire: réaction en chaîne : Définition: La fission est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd "fissile" donne naissance à deux noyaux plus légers. Exemple: Plusieurs réactions de fission de l'uranium 235 sont possibles: 1 0 n U Sr Xe n 1 0 n U Kr Ba n 1 0 n U Rb Cs n Les neutrons émis lors de la fission peuvent provoquer la fission d'autres noyaux. Si le nombre de neutrons émis lors de chaque fission est supérieur à 1, une réaction en chaîne peut se produire et devenir rapidement incontrôlable (bombe à fission : bombe "A" d'Hiroshima).

23 3) La fusion nucléaire : Définition: La fusion nucléaire est une réunion de deux noyaux légers pour former un noyau plus lourd. Equation : 2 1 H H 4 2 He n L'énergie libérée au cours d'une fusion est considérable. La fusion n'est possible que si les deux noyaux possèdent une grande énergie cinétique pour vaincre les forces de répulsion électriques. La fusion se produit naturellement dans les étoiles. Dans une bombe thermonucléaire (appelée bombe H), la fusion nucléaire est incontrôlée et explosive Elle est très intéressante pour produire de l'énergie, mais on ne la maîtrise pas suffisamment pour produire de l'électricité.


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