\part{Une longue histoire \\ de la matière}

\chapter{Un niveau d'organisation :\\les éléments chimiques}

\section{Introduction : la théorie du Big Bang}

L'histoire de l'Univers et de la matière s'appuie sur la théorie du Big Bang, 
explosion géante qui aurait eu lieu il y a plus de 13 milliards d'années. \`A 
cette époque, la matière telle que nous la connaissons n'existe pas encore. 
L'Univers est formé de particules élémentaires libres, condensées en un point 
extrêmement chaud. Au moment du Big Bang, l'Univers entre en expansion. Ses 
particules vont s'associer pour former des protons et des neutrons, à l'origine 
des éléments chimiques les plus simples : l'hydrogène, puis l'hélium. 100 
millions d'année plus tard, lors de la formation des étoiles, des éléments 
chimiques plus lourds apparaissent, grâce à la fusion nucléaire.

\section{Les éléments chimiques dans l'Univers}

\subsection{Représentation symbolique}

Toute la matière connue dans l'Univers est constituée d'une 
centaine d'éléments chimiques différents.

\Par

Chacun de ces éléments chimiques est défini par le nombre de protons 
présents dans son noyau, par exemple :
\begin{itemize}
 \item un élément contenant 1 proton dans son noyau est 
nommé hydrogène ;
 \item un élément contenant 8 protons dans son noyau est 
nommé oxygène ;
 \item un élément contenant 92 protons dans son noyau est 
nommé uranium.
\end{itemize}

\newpage

Par convention, un élément chimique est noté : $\isotope{A}{Z}{X}$, avec:
\begin{itemize}
\item $X$ : symbole de l'élément chimique,
\item $A$ : nombre de nucléons, c'est-à-dire le nombre de protons 
plus le nombre de neutrons, également, 
aussi appelé \textit{nombre de masse},
\item $Z$ : nombre de protons, aussi appelé \textit{numéro atomique}.
\end{itemize}
Si $N$ est le nombre de neutrons, on a :
\[
N = A - Z.
\]

\Par
\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[scale=0.95]{004_01-01}
\figcaption{Représentation d'un atome qui comporte 4 nucléons : 2 
protons et 2 
neutrons}
\label{fig:atomeHelium}
\end{center}
\end{figure}
\Par

Au \textsc{xix}\ieme{} siècle, le chimiste russe Mendeleïev a classé 
les éléments connus dans un tableau qui porte son nom (voir page 
\pageref{337_tableperiodique}).

\subsection{Isotopes}

\begin{defin}[isotopes]
Des éléments qui ont le même nombre de protons, mais pas le même nombre de 
neutrons sont des \textit{isotopes}.
\end{defin}

\textit{Exemples :}
\begin{itemize}
\item L’atome d’hydrogène le plus répandu est \isotope{1}{1}{H}, qui 
possède un proton et n’a aucun neutron.
Cependant, il existe d'autres configurations possibles pour 
l'hydrogène :

\isotope{2}{1}{H}, qui possède un proton et un neutron, nommé 
deutérium, noté \isotope{2}{}{H} ;

\isotope{3}{1}{H}, qui possède un proton et deux neutrons, nommé 
tritium, noté \isotope{3}{}{H}.

\Par

On dit que le deutérium et le tritium sont des isotopes de 
l'hydrogène.
\item L'élément carbone possède 6 protons. Il existe sous forme de 
carbone 12 (\isotope{12}{6}{C}) qui est la forme la plus présente dans 
la nature, mais aussi de carbone 13 (\isotope{13}{6}{C}) et de 
carbone 14 (\isotope{14}{6}{C}). 

\isotope{12}{6}{C}, 
\isotope{13}{6}{C} et \isotope{14}{6}{C} sont des isotopes. 
\isotope{12}{6}{C} et \isotope{13}{6}{C} sont stables, tandis que 
\isotope{14}{6}{C} est instable.
Sa présence dans un échantillon de matière organique morte permet de 
dater la mort de celle-ci. 

\Par

\textit{Voir exercice \ref{exo:ch15exo1no} page 
\pageref{exo:ch15exo1pg}.}
\end{itemize}

\subsection{Abondance des éléments chimiques}

Dans un environnement donné, tous les éléments ne sont pas présents 
partout dans les mêmes proportions : certains sont plus abondants que 
d’autres.

\begin{defin}[abondance]
L'\emph{abondance} d'un élément 
chimique dans un environnement donné est la proportion de cet élément 
par rapport aux autres 
éléments.
\end{defin}

L'abondance d'un élément chimique peut se mesurer par rapport au 
nombre d'atomes, à la masse, ou au nombre de molécules.

\Par

\textit{Exemples :}

\begin{itemize}
\item \textit{Dans l'Univers}, les deux éléments les plus abondants 
sont l'hydrogène (90 \% des atomes) et l'hélium (9 \% des atomes). Le 
tableau suivant donne l'abondance des 6 éléments chimiques les plus 
présents dans l'Univers, en \% d'atomes.

\Par

% \begin{center}
\begin{tabular}{|M{1.7cm}|c|c|c|c|c|c|}
\hline \tabulartitle
\vphantom{\'Elément} \linebreak 
\vphantom{\'Elément}\rput[Bl](0,0.25){\'Elément} &
Hydrogène &
Hélium &
Oxygène &
Carbone &
Néon  &
Azote \\ \hline
\vphantom{Symbole} \linebreak 
\vphantom{Symbole}\rput[Bl](0,0.25){Symbole}             & H      
   & He     & O       & C       & Ne  
  & N     \\ \hline
Abondance \linebreak \vphantom{d}\small(\% d'atomes) & 90        & 9  
    & 0,1    
 & 0,060   & 0,012 & 0,010 \\ \hline
\end{tabular}

\Par
% \end{center}
\item \textit{Sur Terre}, les éléments les plus abondants sont 
l'oxygène, le fer, le silicium et le magnésium.

\Par

% \begin{center}
\begin{tabular}{|M{1.7cm}|c|c|c|c|c|c|}
\hline \tabulartitle
\vphantom{\'Elément} \linebreak 
\vphantom{\'Elément}\rput[Bl](0,0.25){\'Elément}             
& Oxygène & Manganèse & Fer & Silicium & Soufre & Hydrogène \\ \hline
\vphantom{Symbole} \linebreak 
\vphantom{Symbole}\rput[Bl](0,0.25){Symbole}       
& O       & Mg        & Fe  & Si       & S      & H         \\ \hline
Abondance \small(\% d'atomes) & 49      & 17        & 14  & 14       & 
3,7    & 0,2       \\ \hline
\end{tabular}

\Par
% \end{center}
\item \textit{Les êtres vivants} sont constitués principalement d'eau 
(H$_2$O) et de molécules organiques (principalement à base de carbone 
et d'hydrogène).

\Par

% \begin{center}
\begin{tabular}{|M{1.7cm}|c|c|c|c|}
\hline \tabulartitle
\vphantom{\'Elément} \linebreak 
\vphantom{\'Elément}\rput[Bl](0,0.25){\'Elément}          
        & Hydrogène & Oxygène & Carbone & Azote \\ 
\hline
\vphantom{Symbole} \linebreak 
\vphantom{Symbole}\rput[Bl](0,0.25){Symbole}        
        & H         & O       & C       & N     \\ 
\hline
Abondance \small(\% d'atomes) & 53        & 39      & 6,5     & 0,5   
\\ \hline
\end{tabular}
% \end{center}
\end{itemize}

\newpage

Ces données peuvent être représentées sous forme de diagrammes 
en 
bâtons.




\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{006_01-02}
\end{center}
\figcaption{Représentation de l'abondance des éléments chimiques par 
un diagramme en bâtons}
\end{figure}

\Par

Une autre représentation graphique intéressante est le diagramme 
circulaire, ou "camembert".

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{006_01-03}
\end{center}
\figcaption{Diagrammes circulaires}
\end{figure}

\Par

\textit{Voir exercices \ref{exo:ch1exo3} page 
\pageref{exo:ch1exo3} et \ref{exo:ch1exo4} page 
\pageref{exo:ch1exo4}.}

\section{Transformations nucléaires}

Les transformations nucléaires sont des réactions qui vont \textit{modifier la 
structure du noyau} et 
qui vont 
donc permettre de transformer un élément chimique en un autre.

\subsection{Fusion}

Les noyaux d'hydrogène, qui se sont formés quelques secondes après le 
Big Bang, 
sont les principaux constituants des étoiles, et donc de l'Univers.


En réagissant entre eux, ces noyaux légers vont pouvoir former des noyaux plus 
lourds grâce à une réaction nucléaire appelée \textit{fusion}.

\Par

\begin{defin}[fusion nucléaire]
La \textit{fusion nucléaire} est une réaction où deux noyaux légers 
s'associent pour 
former un noyau plus gros, en dégageant une grande quantité 
d'énergie. 
\end{defin}


\textit{Exemple}\\
La réaction de fusion entre un noyau de 
deutérium $\isotope{2}{1}{H}$ et un noyau de
tritium $\isotope{3}{1}{H}$ peut être représentée par l'équation 
suivante : 
\[
\isotope{2}{1}{H} + \isotope{3}{1}{H} \rightarrow \isotope{4}{2}{He} + 
\isotope{1}{0}{n}
\]
% \end{minipage}

% \begin{minipage}{55mm}
% \end{minipage}
% \end{multicols}

Comme pour chaque transformation, des règles de conservation sont respectées. 
Dans le cas des réactions nucléaires, il y a conservation du nombre de masse et 
conservation de la charge électrique, qui correspond ici au nombre de 
protons.

C'est la fusion nucléaire au sein des étoiles qui permet de produire 
des noyaux de plus en plus lourds à partir de noyaux légers. 

Ce 
phénomène est appelé \textit{nucléosynthèse stellaire}. Ainsi, la 
fusion est à 
l'origine de la diversité des éléments chimiques de l'Univers.

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{007_01-04}
\captionsetup{width=5cm}
\figcaption{Fusion du deutérium et du tritium}
\end{center}
\end{figure}

\subsection{La fission}

\`A l'inverse, il est possible que sous l'action d'un neutron, un 
noyau lourd instable se casse en plusieurs 
noyaux plus légers : on parle alors de \textit{fission}.

\begin{defin}[fission nucléaire]
La \textit{fission nucléaire} est une réaction où un gros noyau 
instable se 
sépare en deux 
noyaux sous l'action d'un neutron, en libérant des neutrons et une 
grande 
quantité d'énergie.
\end{defin}

\textit{Exemple}\\
La réaction de fission de l'uranium peut être représentée par l'équation 
suivante : 
\[
\isotope{1}{0}{n} + \isotope{235}{92}{U} \to \isotope{139}{54}{Xe} + 
\isotope{94}{38}{Sr} + 3\isotope{1}{0}{n}
\]

\vspace{0.5cm}
\begin{center}
\textit{Voir schéma page suivante.}
\end{center}
\vspace{0.5cm}
\newpage


\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{008_01-05}
\captionsetup{width=\linewidth}
\figcaption{Réaction de fission de l'uranium}
\end{center}
\end{figure}

\Par

\begin{itemize}
\item Conservation du nombre de masse, A : $1 + 235  = 236$ et $139 + 94 + 3 \time 1 = 236$.
\item Conservation de la charge électrique, et donc ici du nombre de protons, Z 
: $0 + 92 = 92$ et $54 + 38 + 3 \times 0 = 92$.
\end{itemize}

Ce type de réaction peut entraîner des réactions « en chaîne ». En effet, 
les trois neutrons produits sont capables à leur tour de provoquer la fission 
de 
trois nouveaux noyaux d'uranium.

\textit{Remarque :} ce type de réaction est utilisé dans les centrales 
nucléaires actuelles.

% \begin{problematique}
% Comment se transforme le noyau des autres éléments ?
% \end{problematique}

\subsection{La radioactivité}

\begin{defin}[radioactivité]
La \textit{radioactivité} est le phénomène physique par lequel
des noyaux atomiques instables se transforment spontanément en d'autres noyaux 
de nature différente, 
tout en émettant simultanément des particules de matière ou des 
rayonnements.
\end{defin}

\noindent\textit{Exemple : } le radium 226 se désintègre en radon 222 en 
libérant une particule $\alpha$, qui est un noyau d'hélium, c'est-à-dire une 
particule composée uniquement de 2 protons et 2 neutrons (mais sans électron).
\[
\isotope{226}{88}{Ra} \to \isotope{222}{86}{Rn} + \isotope{4}{2}{He}
\]
\Par

L'instant où un noyau radioactif va se désintégrer est imprévisible et 
complètement aléatoire. Cependant, les scientifiques se sont aperçus qu'on 
pouvait déterminer la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux d'un 
échantillon s'était désintégrée et l'ont nommée \textit{temps de 
demi-vie}. Elle 
est caractéristique de l'élément radioactif étudié.  La diminution du nombre de 
noyaux d'un échantillon est représentée par une courbe dite 
de \textit{décroissance radioactive}. Celle-ci permet de déterminer 
la proportion 
de noyaux restants, ou la durée de radioactivité d'un échantillon.

\Par

\begin{center}
\includegraphics{009_01-06}
\figcaption{Décroissance radioactive}
\end{center}

\Par
La décroissance radioactive est donc à l'origine de la \textit{datation radiométrique}.


\enlargethispage*{5em}

\begin{defin}[demi-vie d'un noyau radioactif]
La \textit{demi-vie} d'un échantillon de noyaux radioactifs est la durée 
nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs initialement présents 
dans l'échantillon se désintègrent. On la note $t_{1/2}$.
\end{defin}

\textit{Voir exercices \ref{exo:ch1exo5} page 
\pageref{exo:ch1exo5} et \ref{exo:ch1exo8} page 
\pageref{exo:ch1exo8}.}

\begin{aretenir}
\begin{itemize}
\item Les éléments chimiques sont des entités caractérisées par un 
même nombre de protons. On en connaît une centaine dans l'Univers.
\item La matière connue dans l'Univers est constituée principalement 
d'hydrogène et d'hélium.
\item La fusion est une réaction nucléaire où deux noyaux légers 
s’unissent pour former un noyau plus lourd.
\item Les réactions nucléaires de fusion au sein des étoiles sont à 
l'origine de la centaine d'éléments chimiques connus dans l'Univers.
\item La fission est  une réaction nucléaire où un noyau lourd 
instable se scinde en deux noyaux plus légers, sous l’impact d’un 
neutron.
\item La radioactivité  est la désintégration spontanée d’un noyau 
instable qui permet de former un nouveau noyau plus stable, tout en 
libérant des particules de matière ou des rayonnements.
\item Un élément radioactif est caractérisé par sa demi-vie, qui est 
le temps nécessaire pour diviser par deux le nombre de noyaux 
initialement présents dans un échantillon de cet élément.
\end{itemize}

\end{aretenir}


