Un niveau d'organisation : les éléments chimiques
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Une longue histoire de la matière
Les éléments chimiques et leur origine
Toute la matière qui t'entoure — ton corps, l'air, les étoiles — est faite d'un tout petit nombre de briques : les éléments chimiques. Il en existe environ 90 à l'état naturel, et ils n'ont pas toujours existé. Ils ont été fabriqués, au fil de 13,8 milliards d'années, d'abord dans l'Univers primordial puis au cœur des étoiles. Ce chapitre raconte cette fabrication et te donne les outils pour la dater.
Décrire un noyau : A, Z et les isotopes
Deux noyaux qui ont le même Z mais un A différent sont appelés des isotopes. Ils appartiennent au même élément chimique, portent donc le même nom et le même symbole, et se comportent de la même façon dans les réactions chimiques : c'est le nombre d'électrons (donc Z) qui commande la chimie. Ce qui les distingue, c'est leur masse et, parfois, leur stabilité.
Où les éléments sont-ils fabriqués ?
1. La nucléosynthèse primordiale. Environ trois minutes après le Big Bang, l'Univers est assez froid pour que protons et neutrons s'assemblent. Il ne se forme presque que de l'hydrogène et de l'hélium (plus une trace de lithium). Puis la température chute trop pour que la fusion continue : la fabrication s'arrête là.
2. La nucléosynthèse stellaire. Dans le cœur des étoiles, la fusion nucléaire reprend et construit des noyaux de plus en plus lourds : hélium, carbone, oxygène, néon, silicium… jusqu'au fer. Le noyau de fer est le plus stable de tous : au-delà, la fusion ne libère plus d'énergie, elle en consomme. La chaîne s'arrête donc au fer.
3. Les supernovae. Les éléments plus lourds que le fer (cuivre, argent, or, uranium…) se forment lors de l'explosion des étoiles massives, événement extrêmement énergétique et bref. C'est pour cela qu'ils sont rares.
| Milieu | Éléments les plus abondants (en masse) | Explication |
|---|---|---|
| Univers | Hydrogène (environ 74 %), hélium (environ 24 %) | Ce sont les produits de la nucléosynthèse primordiale : ils n'ont jamais été remplacés |
| Croûte terrestre | Oxygène, silicium, aluminium, fer | Éléments lourds triés lors de la formation de la Terre ; le silicium et l'oxygène forment les silicates des roches |
| Être humain | Oxygène, carbone, hydrogène, azote | Éléments de l'eau et des molécules du vivant (glucides, lipides, protéines) |
Une longue histoire de la matière
Radioactivité, demi-vie et datation
Certains noyaux sont instables : tôt ou tard, ils se transforment spontanément en un autre noyau en émettant un rayonnement. Ce phénomène, la radioactivité, est le chronomètre le plus fiable dont disposent les scientifiques pour dater une roche, un fossile ou un vestige archéologique.
Aléatoire pour un noyau, prévisible pour un échantillon. Impossible de savoir quand un noyau donné va se désintégrer : c'est un phénomène purement aléatoire. Mais dans un échantillon réel il y a des milliards de milliards de noyaux, et cette immense population obéit à une loi parfaitement régulière : le nombre de noyaux restants décroît de façon exponentielle. Concrètement, il est divisé par 2 à chaque demi-vie écoulée.
Si N0 est le nombre initial de noyaux, alors après une durée t = n × t(1/2) :
N = N0 / 2 puissance n
| Nombre de demi-vies écoulées | Durée écoulée | Fraction de noyaux restants | En pourcentage |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 | 100 % |
| 1 | t(1/2) | 1/2 | 50 % |
| 2 | 2 × t(1/2) | 1/4 | 25 % |
| 3 | 3 × t(1/2) | 1/8 | 12,5 % |
| 4 | 4 × t(1/2) | 1/16 | 6,25 % |
| 5 | 5 × t(1/2) | 1/32 | 3,125 % |
Choisir le bon chronomètre. On ne date pas une momie et un granite avec le même isotope. La règle est simple : la demi-vie doit être du même ordre de grandeur que l'âge cherché. Trop courte, il ne reste plus rien à mesurer ; trop longue, la quantité n'a presque pas bougé et la mesure n'est pas exploitable.
| Chronomètre | Demi-vie | Domaine d'utilisation |
|---|---|---|
| Carbone 14 | 5 730 ans | Vestiges organiques récents : bois, os, tissus — jusqu'à environ 50 000 ans |
| Potassium 40 / argon 40 | 1,3 milliard d'années | Roches volcaniques, de quelques centaines de milliers à plusieurs milliards d'années |
| Uranium 238 / plomb 206 | 4,5 milliards d'années | Roches et météorites très anciennes : âge de la Terre, âge du système solaire |
Exercices corrigés
Quels sont les deux éléments chimiques les plus abondants dans l'Univers ?
- A.Le carbone et l'oxygène
- B.L'hydrogène et l'héliumBonne réponse
- C.Le fer et le silicium
- D.L'oxygène et l'azote
Réponse : B — L'hydrogène et l'hélium
L'hydrogène (environ 74 % de la masse) et l'hélium (environ 24 %) ont été formés lors de la nucléosynthèse primordiale, trois minutes après le Big Bang, et ils constituent encore aujourd'hui l'essentiel de la matière ordinaire de l'Univers. Tous les autres éléments réunis représentent moins de 2 %. Attention à ne pas confondre avec la croûte terrestre, où c'est l'oxygène qui domine.
Deux noyaux sont dits isotopes lorsqu'ils ont :
- A.le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différentBonne réponse
- B.le même nombre de neutrons mais un nombre de protons différent
- C.le même nombre de nucléons mais des charges différentes
- D.exactement la même composition mais des masses différentes
Réponse : A — le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent
Des isotopes partagent le même numéro atomique Z (même nombre de protons) et diffèrent par leur nombre de neutrons, donc par leur nombre de masse A. Comme c'est Z qui définit l'élément chimique, des isotopes appartiennent au même élément : ils portent le même nom et le même symbole.
Que représente la demi-vie d'un isotope radioactif ?
- A.La durée au bout de laquelle tous les noyaux se sont désintégrés
- B.La durée de vie moyenne d'un noyau pris au hasard
- C.La moitié de la durée totale de la désintégration de l'échantillon
- D.La durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initiaux se sont désintégrésBonne réponse
Réponse : D — La durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initiaux se sont désintégrés
La demi-vie t(1/2) est le temps au bout duquel il ne reste plus que la moitié des noyaux radioactifs initiaux. Ce n'est pas la moitié d'une « durée totale » : la décroissance est exponentielle, elle ne s'arrête jamais complètement, il reste toujours théoriquement une fraction de noyaux.
Où sont majoritairement fabriqués les éléments chimiques plus lourds que l'hélium et jusqu'au fer ?
- A.Dans le cœur des étoiles, par fusion nucléaireBonne réponse
- B.Dans l'Univers primordial, juste après le Big Bang
- C.Dans les océans des planètes rocheuses
- D.Dans les nuages de gaz froids du milieu interstellaire
Réponse : A — Dans le cœur des étoiles, par fusion nucléaire
La nucléosynthèse primordiale s'est arrêtée à l'hélium (avec une trace de lithium) car l'Univers est devenu trop froid. Ce sont ensuite les étoiles qui, par fusion nucléaire dans leur cœur très chaud, ont construit le carbone, l'oxygène, le silicium… jusqu'au fer. Au-delà du fer, il faut l'énergie colossale d'une supernova.
Un échantillon radioactif est mesuré après une durée égale à deux demi-vies. Quel pourcentage des noyaux initiaux subsiste ?
- A.0 %
- B.50 %
- C.25 %Bonne réponse
- D.75 %
Réponse : C — 25 %
Après la première demi-vie il reste 100 / 2 = 50 %. Après la deuxième, on divise encore par 2 : 50 / 2 = 25 %. L'erreur classique est de soustraire 50 % deux fois pour arriver à 0 % : la décroissance radioactive est une division par 2 successive, pas une soustraction.
Un fragment de bois archéologique contient encore 25 % de son carbone 14 initial. La demi-vie du carbone 14 vaut 5 730 ans. Quel est son âge approximatif ?
- A.2 865 ans
- B.5 730 ans
- C.22 920 ans
- D.11 460 ansBonne réponse
Réponse : D — 11 460 ans
25 % = 1/4 = (1/2) × (1/2) : il s'est écoulé n = 2 demi-vies. L'âge vaut donc t = 2 × 5 730 = 11 460 ans. Répondre 5 730 ans reviendrait à s'arrêter à 50 % restants, et 22 920 ans correspondrait à 4 demi-vies, soit 6,25 % restants.
Parmi ces entités, lesquelles appartiennent au même élément chimique : l'atome 23/11 Na, l'ion 23/11 Na+, l'atome 24/11 Na et l'atome 24/12 Mg ?
- A.Les quatre, car elles ont un A ou un Z commun
- B.Uniquement 23/11 Na et 23/11 Na+, car A et Z sont identiques
- C.Les trois premières, car elles ont toutes Z = 11Bonne réponse
- D.Uniquement 24/11 Na et 24/12 Mg, car A = 24 pour les deux
Réponse : C — Les trois premières, car elles ont toutes Z = 11
L'élément chimique est défini par le seul numéro atomique Z. Les trois premières entités ont Z = 11 : ce sont toutes du sodium, qu'il s'agisse d'un atome, d'un ion ou d'un autre isotope. Le magnésium a Z = 12, c'est donc un autre élément, même si son nombre de masse A vaut aussi 24. Avoir le même A ne signifie rien pour l'identité chimique.
Un échantillon contient au départ 8,0 × 10 puissance 6 noyaux radioactifs de demi-vie 30 ans. Combien en reste-t-il au bout de 90 ans ?
- A.1,0 × 10 puissance 6 noyauxBonne réponse
- B.2,0 × 10 puissance 6 noyaux
- C.4,0 × 10 puissance 6 noyaux
- D.2,7 × 10 puissance 6 noyaux
Réponse : A — 1,0 × 10 puissance 6 noyaux
Commence par compter les demi-vies : 90 / 30 = 3 demi-vies. On divise donc trois fois par 2 : 8,0 → 4,0 → 2,0 → 1,0, soit 1,0 × 10 puissance 6 noyaux restants. Le distracteur 2,7 × 10 puissance 6 vient d'une division par 3 (8,0 / 3), qui n'a rien à voir : c'est le nombre de demi-vies qui est 3, pas le diviseur.
Que peut-on affirmer au sujet d'un unique noyau radioactif isolé ?
- A.Il se désintégrera exactement au bout d'une demi-vie
- B.On ne peut pas prévoir l'instant de sa désintégration, qui est aléatoireBonne réponse
- C.Il se désintégrera d'autant plus vite qu'on le chauffe
- D.Il ne se désintégrera que s'il est heurté par un autre noyau
Réponse : B — On ne peut pas prévoir l'instant de sa désintégration, qui est aléatoire
La désintégration est spontanée et purement aléatoire : aucune expérience ne permet de prédire quand un noyau donné va se transformer, ni de déclencher ou de retarder l'événement (ni par chauffage, ni par pression, ni par réaction chimique). La demi-vie n'a de sens que statistiquement, sur un très grand nombre de noyaux : c'est la durée au bout de laquelle la moitié de la population aura disparu.
Pourquoi les éléments plus lourds que le fer, comme l'or ou l'uranium, sont-ils si rares dans l'Univers ?
- A.Parce qu'ils ne se forment que lors d'événements rares et brefs comme les explosions de supernovaeBonne réponse
- B.Parce qu'ils se désintègrent tous en quelques années après leur formation
- C.Parce qu'ils sont trop lourds pour quitter le cœur des étoiles
- D.Parce qu'ils n'ont été formés que lors du Big Bang, en très faible quantité
Réponse : A — Parce qu'ils ne se forment que lors d'événements rares et brefs comme les explosions de supernovae
La fusion stellaire ordinaire ne dépasse pas le fer, car au-delà elle consommerait de l'énergie. Les noyaux plus lourds se forment lors d'événements exceptionnels et très brefs — explosions de supernovae, fusions d'astres compacts — qui ne concernent qu'une infime part de la matière. Leur rareté est donc directement liée à leur mode de fabrication. Le Big Bang, lui, n'a produit que l'hydrogène et l'hélium.
On dispose de deux flacons du même isotope radioactif : le flacon B contient deux fois plus de noyaux que le flacon A. Que peut-on dire de leur demi-vie et de leur activité initiale ?
- A.La demi-vie de B est deux fois plus courte et son activité deux fois plus grande
- B.La demi-vie de B est deux fois plus longue et son activité identique
- C.Les demi-vies sont identiques, mais l'activité initiale de B est deux fois plus grandeBonne réponse
- D.Demi-vies et activités sont identiques dans les deux flacons
Réponse : C — Les demi-vies sont identiques, mais l'activité initiale de B est deux fois plus grande
La demi-vie est une constante caractéristique de l'isotope : elle ne dépend ni de la masse de l'échantillon, ni de la température, ni de quoi que ce soit d'extérieur. Les deux flacons ont donc rigoureusement la même demi-vie. En revanche, l'activité — le nombre de désintégrations par seconde — est proportionnelle au nombre de noyaux présents : avec deux fois plus de noyaux, B est deux fois plus actif. Ne confonds pas « aller plus vite » (activité) et « durer moins longtemps » (demi-vie).
Un minéral s'est formé il y a 3,9 milliards d'années. Sachant que la demi-vie du potassium 40 vaut 1,3 milliard d'années, quelle proportion du potassium 40 initial contient-il encore aujourd'hui ?
- A.50 %
- B.12,5 %Bonne réponse
- C.33 %
- D.25 %
Réponse : B — 12,5 %
Calcule d'abord le nombre de demi-vies : 3,9 / 1,3 = 3 exactement. Puis divise trois fois par 2 : 100 % → 50 % → 25 % → 12,5 %. Il reste donc 12,5 %, soit un huitième du potassium 40 de départ. Le distracteur 33 % vient d'une division par 3 (le nombre de demi-vies), erreur très fréquente : le 3 est un exposant, pas un diviseur.
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