Transformations Physiques et Nucléaires

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Le diagramme de phases d'un corps pur : solide, liquide, vapeur, point triple et point critique.

Ce chapitre étudie deux types de transformations fondamentales de la matière : les transformations physiques, qui modifient l'état d'association de la matière sans altérer les entités chimiques elles-mêmes, et les transformations nucléaires, qui affectent la composition et la structure du noyau des atomes en modifiant les éléments chimiques. Nous analyserons les aspects énergétiques et les lois de conservation régissant ces phénomènes.

5.1 Transformations Physiques et Transferts Thermiques

Définition 5.1Transformation physique

Une transformation physique correspond au passage d'une espèce chimique d'un état physique (solide, liquide ou gazeux) à un autre. Lors de cette transformation, les molécules, les atomes ou les ions ne sont pas modifiés chimiquement : ce sont uniquement les liaisons intermoléculaires ou les distances entre les entités qui changent.

5.1.1 Microscopie des états de la matière

État solide : Les entités sont très proches, fortement liées et ordonnées (solide cristallin) ou désordonnées (solide amorphe). Cet état est compact et possède une forme propre.
État liquide : Les entités sont proches mais faiblement liées et mobiles les unes par rapport aux autres. Cet état est compact mais prend la forme du récipient.
État gazeux : Les entités sont très éloignées les unes des autres, sans liaisons, et en mouvement permanent et désordonné. Cet état est dispersé et compressible.

5.1.2 Équation de changement d'état

L'écriture d'une équation de changement d'état s'effectue en mentionnant l'état physique de l'espèce entre parenthèses : solide ( $s$ ), liquide ( $l$ ) ou gaz ( $g$ ) :

$Exemple de la fusion de la glace : H X_{2} O (s) H X_{2} O (l)$

$Exemple de la sublimation du diiode : I X_{2} (s) I X_{2} (g)$

5.1.3 Cycle des changements d'état

Le schéma ci-dessous résume les différents changements d'état physique de la matière :

5.1.4 Aspect thermique : transferts d'énergie

Un changement d'état s'accompagne toujours d'un échange d'énergie thermique avec le milieu extérieur.

Définition 5.2Endothermique et Exothermique

Une transformation physique est endothermique si elle nécessite un apport d'énergie thermique du milieu extérieur pour rompre les interactions entre entités (fusion, vaporisation, sublimation).
Une transformation physique est exothermique si elle libère de l'énergie thermique vers le milieu extérieur lors de la création d'interactions (solidification, liquéfaction, condensation).

ImportantCalcul de l'énergie de changement d'état

L'énergie thermique $Q$ (en Joules, $J$ ) échangée par un système de masse $m$ (en $kg$ ) lors de son changement d'état est donnée par la relation :

$Q = m \times L$

où $L$ est l'énergie massique de changement d'état de l'espèce chimique (aussi appelée chaleur latente), exprimée en joules par kilogramme ( $J / kg$ ).

$L$ est une constante positive, tabulée pour chaque espèce et chaque changement d'état : c'est le SENS du changement qui donne son signe à $Q$ .

Dans le sens endothermique (fusion, vaporisation, sublimation), le système reçoit de l'énergie : $Q = + m L > 0$ .
Dans le sens exothermique (solidification, liquéfaction, condensation solide), le système en cède autant : $Q = - m L < 0$ .

La même valeur de $L$ sert donc dans les deux sens ; seul le signe devant elle change.

5.2 Transformations Nucléaires

Une transformation nucléaire modifie la structure du noyau des atomes. Contrairement aux transformations physiques et chimiques, il n'y a pas conservation des éléments chimiques : un élément peut être converti en un autre.

5.2.1 Constitution du noyau

L'atome est constitué d'un noyau central, très petit et très dense, autour duquel gravitent des électrons. Le noyau lui-même est un assemblage de particules appelées nucléons.

Définition 5.3Nucléons et notation d'un noyau

Le noyau d'un atome est constitué de deux sortes de nucléons :

les protons, de charge électrique positive $+ e$ ;
les neutrons, électriquement neutres.

Un noyau est représenté par le symbole $_{Z}^{A} X$ , où :

$X$ est le symbole de l'élément chimique ;
$Z$ est le numéro atomique (nombre de charges) : c'est le nombre de protons ;
$A$ est le nombre de masse (nombre de nucléons) : c'est le nombre total de protons et de neutrons.

Le nombre de neutrons se déduit par la relation $N = A - Z$ .

iRemarqueNe pas confondre

A

Z

N

Le nombre de masse $A$ compte tous les nucléons ; il ne donne pas directement le nombre de neutrons. Pour obtenir le nombre de neutrons, il faut toujours effectuer la soustraction $N = A - Z$ . De plus, dans un atome (électriquement neutre), le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, donc à $Z$ .

Le schéma ci-dessous représente la composition de l'atome de carbone 12, noté $_{6}^{12} C$ : son noyau contient $Z = 6$ protons et $N = A - Z = 12 - 6 = 6$ neutrons, entouré de $6$ électrons.

Méthode : Déterminer la composition d'un noyau

Pour donner la composition d'un noyau $_{Z}^{A} X$ :

Lire directement le nombre de protons : c'est $Z$ (le nombre du bas).
Lire le nombre total de nucléons : c'est $A$ (le nombre du haut).
Calculer le nombre de neutrons par soustraction : $N = A - Z$ .
Dans l'atome neutre correspondant, le nombre d'électrons est égal à $Z$ .

Exemple 5.4

Le noyau $_{13}^{27} Al$ (aluminium) contient $Z = 13$ protons et $N = 27 - 13 = 14$ neutrons, soit $27$ nucléons au total. L'atome neutre correspondant possède $13$ électrons.

5.2.2 Isotopes

Définition 5.5Isotopes

Des noyaux isotopes possèdent le même nombre de protons $Z$ (ils appartiennent au même élément chimique) mais des nombres de neutrons $N$ différents (et donc des nombres de nucléons $A$ différents).

Exercices du chapitre

Les six changements d'état corrigé
Fondre puis vaporiser la même eau corrigé
Deux cents grammes de glace à fondre corrigé
Les deux uraniums naturels corrigé
Trois noyaux à décomposer corrigé
Les trois étapes de la fusion solaire corrigé

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