Transformations Physiques et Nucléaires

Cours complet · chimie (seconde), chapitre 5 · seconde générale, physique-chimie

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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).

Méthode : Reconnaître des noyaux isotopes

Deux noyaux sont isotopes si et seulement s'ils ont le même $Z$ (donc le même symbole chimique) mais des valeurs de $A$ différentes. En pratique :

Comparer les numéros atomiques $Z$ : ils doivent être égaux.
Comparer les nombres de masse $A$ : ils doivent être différents.
Si $Z$ diffère, ce ne sont pas des isotopes : ce sont des éléments chimiques différents.

Exemple 5.6

Les trois noyaux de l'hydrogène sont des isotopes ( $Z = 1$ pour tous) :

$_{1}^{1} H (hydrog e ˋ ne),_{1}^{2} H (deut e ˊ rium),_{1}^{3} H (tritium) .$

Ils diffèrent par leur nombre de neutrons : $0$ , $1$ et $2$ respectivement. En revanche, $_{6}^{14} C$ et $_{7}^{14} N$ ne sont pas isotopes : ils ont le même $A$ mais des $Z$ différents (ce sont deux éléments distincts).

iRemarqueMême

A

n'est pas être isotope

Le piège classique consiste à croire que deux noyaux de même nombre de masse $A$ sont isotopes. C'est faux : le critère porte sur le nombre de protons $Z$ , jamais sur $A$ .

5.2.3 Écriture symbolique d'une réaction nucléaire

Comme une transformation chimique, une transformation nucléaire se décrit par une écriture symbolique : à gauche de la flèche, les noyaux et les particules engagés ; à droite, ceux qui sont formés. Chaque espèce y est notée sous la forme $_{Z}^{A} X$ , y compris les particules les plus légères :

$neutron :_{0}^{1} n proton :_{1}^{1} p =_{1}^{1} H noyau d’h e ˊ lium 4 :_{2}^{4} He$

◆Théorème 5.7Conservation du nombre de masse et du numéro atomique

Toute réaction nucléaire est représentée par une équation du type :

$X_{Z_{1}}^{A_{1}} X_{2 Z_{1}}^{2 A_{1}} X X_{1} + X_{Z_{2}}^{A_{2}} X_{2 Z_{2}}^{2 A_{2}} X X_{2} X_{Z_{3}}^{A_{3}} X_{2 Z_{3}}^{2 A_{3}} X X_{3} + X_{Z_{4}}^{A_{4}} X_{2 Z_{4}}^{2 A_{4}} X X_{4}$

où sont conservés :

Le nombre total de nucléons $A$ (nombre de masse) : $A_{1} + A_{2} = A_{3} + A_{4}$ .
Le nombre total de charges électriques $Z$ (numéro atomique) : $Z_{1} + Z_{2} = Z_{3} + Z_{4}$ .

En revanche, les éléments chimiques ne sont pas conservés : c'est précisément ce qui sépare une transformation nucléaire d'une transformation chimique, où les atomes, eux, se retrouvent tous à l'arrivée.

Méthode : Compléter l'écriture symbolique d'une réaction nucléaire

Lorsqu'un noyau $_{Z}^{A} X$ de l'équation est inconnu :

Additionner les nombres de masse $A$ de toutes les espèces connues, de chaque côté de la flèche, sans oublier les coefficients.
Écrire l'égalité des deux sommes et en déduire le $A$ manquant.
Recommencer avec les numéros atomiques $Z$ pour obtenir le $Z$ manquant.
Identifier l'élément dans la classification périodique : c'est $Z$ , et non $A$ , qui donne le symbole chimique.
Vérifier en recomptant $A$ , puis $Z$ , sur l'équation complétée.

iRemarqueLes coefficients comptent

L'erreur la plus fréquente consiste à oublier le coefficient placé devant une espèce. Un terme $3_{0}^{1} n$ apporte $3 \times 1 = 3$ nucléons et $3 \times 0 = 0$ charge : il modifie le bilan de $A$ , mais pas celui de $Z$ . Le neutron, de son côté, ne compte pour rien dans le bilan des charges, mais bien pour un nucléon.

5.2.4 La fission et la fusion nucléaires

Deux réactions nucléaires suffisent à rendre compte de l'essentiel de l'énergie dont dispose l'humanité : la fission, mise en œuvre dans les centrales nucléaires, et la fusion, qui fait briller le Soleil et les autres étoiles.

Définition 5.8Fission et fusion

La fission nucléaire est une réaction au cours de laquelle un noyau lourd (comme l'uranium 235) se scinde en deux noyaux plus légers sous l'impact d'un neutron. Elle libère de l'énergie et plusieurs neutrons, qui peuvent à leur tour provoquer d'autres fissions : c'est la réaction en chaîne.
La fusion nucléaire réunit deux noyaux légers en un seul noyau, plus lourd. Elle exige des températures extrêmement élevées, car les deux noyaux, tous deux chargés positivement, se repoussent électriquement. Elle se produit naturellement au cœur des étoiles, dont le Soleil.

Exemple 5.9Une fission de l'uranium 235

$X_{0}^{1} X_{20}^{21} n + X_{92}^{235} X_{292}^{2235} U X_{38}^{94} X_{238}^{294} Sr + X_{54}^{140} X_{254}^{2140} Xe + 2 X_{0}^{1} X_{20}^{21} n$

Vérification des deux conservations :

Nucléons $A$ : $1 + 235 = 236$ à gauche, et $94 + 140 + 2 \times 1 = 236$ à droite (conservé).
Charges $Z$ : $0 + 92 = 92$ à gauche, et $38 + 54 + 2 \times 0 = 92$ à droite (conservé).

L'uranium a disparu : deux éléments nouveaux, le strontium et le xénon, sont apparus. Les éléments chimiques ne sont donc pas conservés.

iRemarqueUne fission, mais pas « la » fission

Un noyau d'uranium 235 ne se casse pas toujours de la même façon : plus d'une trentaine de couples de noyaux différents peuvent se former. L'équation ci-dessus n'est donc qu'un exemple parmi d'autres, et c'est pourquoi un énoncé doit toujours préciser quels noyaux sont produits.

Les neutrons libérés par une fission peuvent provoquer de nouvelles fissions : le nombre de noyaux cassés se multiplie d'une génération à l'autre. Dans un réacteur, cette réaction en chaîne est maîtrisée : des barres de commande absorbent l'excédent de neutrons pour qu'une fission n'en déclenche en moyenne qu'une seule.

Réaction en chaîne non maîtrisée : un neutron casse un noyau, qui en libère trois, lesquels cassent trois noyaux, qui en libèrent neuf. Dans un réacteur, on ne laisse survivre qu'un neutron par fission, et la chaîne se poursuit alors sans s'emballer.

Exemple 5.10Deux fusions

Fusion du deutérium et du tritium, visée par les réacteurs expérimentaux :

$X_{1}^{2} X_{21}^{22} H + X_{1}^{3} X_{21}^{23} H X_{2}^{4} X_{22}^{24} He + X_{0}^{1} X_{20}^{21} n$

Vérification : $A$ : $2 + 3 = 5 = 4 + 1$ ; $Z$ : $1 + 1 = 2 = 2 + 0$ . (conservés)

Fusion de deux noyaux d'hélium 3, une des étapes qui se produisent au cœur du Soleil :

$X_{2}^{3} X_{22}^{23} He + X_{2}^{3} X_{22}^{23} He X_{2}^{4} X_{22}^{24} He + 2 X_{1}^{1} X_{21}^{21} H$

Vérification : $A$ : $3 + 3 = 6 = 4 + 2 \times 1$ ; $Z$ : $2 + 2 = 4 = 2 + 2 \times 1$ . (conservés)

5.2.5 Aspects énergétiques : le Soleil et les centrales nucléaires

Une réaction nucléaire libère une énergie sans commune mesure avec celle d'une transformation chimique. L'origine de cette énergie est une perte de masse : la masse totale des noyaux formés est très légèrement inférieure à celle des noyaux de départ, et cette masse manquante est convertie en énergie.

ImportantÉnergie convertie lors d'une réaction nucléaire

La perte de masse $Δ m$ (en $kg$ ) d'une réaction nucléaire est convertie en une énergie $E$ (en $J$ ) donnée par la relation d'Einstein :

$E = Δ m \times c^{2}$

où $c = 3, 00 \times 1 0^{8} m / s$ est la célérité de la lumière dans le vide. Le facteur $c^{2} = 9, 00 \times 1 0^{16}$ $m^{2} / s^{2}$ est gigantesque : une perte de masse minuscule suffit à libérer une énergie considérable.

Pourquoi le Soleil brille

Au cœur du Soleil, la température atteint environ $1, 5 \times 1 0^{7}$ $K$ : les noyaux d'hydrogène y sont assez agités pour vaincre leur répulsion électrique et fusionner. En plusieurs étapes, quatre noyaux d'hydrogène finissent par former un noyau d'hélium 4, selon le bilan :

$4 X_{1}^{1} X_{21}^{21} H X_{2}^{4} X_{22}^{24} He + 2 X_{+ 1}^{0} X_{2 + 1}^{20} e$

où $_{+ 1}^{0} e$ désigne un positron, particule de même masse qu'un électron mais de charge opposée.

Exemple 5.11La masse que le Soleil convertit chaque seconde

Vérifions d'abord les deux conservations sur le bilan ci-dessus :

$A$ : $4 \times 1 = 4$ à gauche, et $4 + 2 \times 0 = 4$ à droite (conservé) ;
$Z$ : $4 \times 1 = 4$ à gauche, et $2 + 2 \times (+ 1) = 4$ à droite (conservé).

Le Soleil rayonne une puissance $P = 3, 8 \times 1 0^{26} W$ , c'est-à-dire qu'il émet $3, 8 \times 1 0^{26} J$ chaque seconde. La masse convertie en une seconde vaut donc :

$Δ m = \frac{E}{c ^{2}} = \frac{3 , 8 \times 1 0 ^{26}}{9 , 00 \times 1 0 ^{16}} \approx 4, 2 \times 1 0^{9} kg$

soit environ quatre millions de tonnes par seconde. Cette perte reste négligeable devant la masse totale du Soleil : l'astre brille ainsi depuis près de cinq milliards d'années.

Ce qui se passe dans un réacteur

Dans le cœur d'un réacteur, la fission des noyaux d'uranium 235 échauffe l'eau du circuit primaire. Cette chaleur produit de la vapeur, qui entraîne une turbine et un alternateur. Le réacteur n'est donc, du point de vue énergétique, qu'une chaudière : c'est la fission qui remplace la combustion.

Exemple 5.12Le nombre de fissions dans un réacteur

La fission d'un seul noyau d'uranium 235 libère environ $E = 3, 2 \times 1 0^{- 11} J$ . Un réacteur de puissance thermique $P = 2, 7 \times 1 0^{9} W$ doit donc produire, chaque seconde :

$N = \frac{P}{E} = \frac{2 , 7 \times 1 0 ^{9}}{3 , 2 \times 1 0 ^{- 11}} \approx 8, 4 \times 1 0^{19} fissions.$

Chaque noyau d'uranium 235 a une masse voisine de $A \times m_{nucl} = 235 \times 1, 67 \times 1 0^{- 27} \approx 3, 92 \times 1 0^{- 25} kg$ . La masse d'uranium 235 cassée chaque seconde vaut donc :

$m = N \times 3, 92 \times 1 0^{- 25} \approx 3, 3 \times 1 0^{- 5} kg,$

soit environ $33 mg$ par seconde, et $3, 3 \times 1 0^{- 5} \times 86400 \approx 2, 9 kg$ par jour. Une centrale consomme donc quelques kilogrammes de combustible par jour, là où une centrale à charbon en brûle plusieurs milliers de tonnes.

Comparer les ordres de grandeur

ImportantTrois transformations, trois ordres de grandeur

Transformation	Nature	Énergie	Rapport
Combustion d'un atome de carbone	chimique	$6, 5 \times 1 0^{- 19}$ $J$	$1$
Fusion de $4$ noyaux d'hydrogène	nucléaire	$4, 3 \times 1 0^{- 12}$ $J$	$\approx 6, 6 \times 1 0^{6}$
Fission d'un noyau d'uranium 235	nucléaire	$3, 2 \times 1 0^{- 11}$ $J$	$\approx 4, 9 \times 1 0^{7}$

Une transformation nucléaire libère, par entité transformée, de dix millions à cent millions de fois plus d'énergie qu'une transformation chimique.

iRemarqueRapporter l'énergie au nombre de nucléons engagés

Le tableau ci-dessus compare des entités très inégales : la fusion n'engage que $4$ nucléons, la fission en engage $235$ . Rapportée à un nucléon, la fusion libère $4, 3 \times 1 0^{- 12} /4 \approx 1, 1 \times 1 0^{- 12}$ $J$ , contre $3, 2 \times 1 0^{- 11} /235 \approx 1, 4 \times 1 0^{- 13}$ $J$ pour la fission : la fusion est en réalité environ $8$ fois plus généreuse. C'est ce qui explique l'effort de recherche considérable consacré aux réacteurs à fusion, encore expérimentaux.

5.2.6 Identifier la nature d'une transformation

Trois familles de transformations ont été rencontrées dans ce manuel. Leur écriture symbolique suffit le plus souvent à les distinguer : il suffit de regarder ce qui est conservé.

◆Théorème 5.13Physique, chimique ou nucléaire

Transformation physique : les entités chimiques (molécules, atomes, ions) sont conservées, seul leur état physique change. L'écriture ne fait apparaître que les mentions d'état : $H X_{2} O (s) H X_{2} O (l)$ .
Transformation chimique : les entités changent, mais les atomes — donc les éléments chimiques — sont conservés. On retrouve à droite exactement les mêmes atomes qu'à gauche : $CH X_{4} (g) + 2 O X_{2} (g) CO X_{2} (g) + 2 H X_{2} O (g)$ .
Transformation nucléaire : les noyaux eux-mêmes sont modifiés ; les éléments chimiques ne sont plus conservés, de nouveaux éléments apparaissent. L'écriture porte les nombres $A$ et $Z$ : $X_{1}^{2} X_{21}^{22} H + X_{1}^{3} X_{21}^{23} H X_{2}^{4} X_{22}^{24} He + X_{0}^{1} X_{20}^{21} n$ .

Méthode : Reconnaître la nature d'une transformation

Face à une écriture symbolique, se poser les questions dans cet ordre :

Les formules chimiques sont-elles les mêmes des deux côtés ? Si seules les mentions d'état $(s)$ , $(l)$ , $(g)$ ou $(aq)$ changent : transformation physique.
Les espèces portent-elles une notation $_{Z}^{A} X$ , avec des symboles qui changent ? Si oui : transformation nucléaire.
Sinon, les formules changent mais les atomes se retrouvent tous : transformation chimique.

Exemple 5.14

$I X_{2} (s) I X_{2} (g)$ : même entité $I X_{2}$ de part et d'autre, seul l'état change $\Rightarrow$ transformation physique (sublimation).
$2 H X_{2} (g) + O X_{2} (g) 2 H X_{2} O (g)$ : les molécules changent, mais on compte $4$ atomes d'hydrogène et $2$ atomes d'oxygène des deux côtés $\Rightarrow$ transformation chimique.
$X_{0}^{1} X_{20}^{21} n + X_{92}^{235} X_{292}^{2235} U X_{38}^{94} X_{238}^{294} Sr + X_{54}^{140} X_{254}^{2140} Xe + 2 X_{0}^{1} X_{20}^{21} n$ : l'uranium a disparu, le strontium et le xénon sont apparus $\Rightarrow$ transformation nucléaire (fission).

iRemarqueUn piège classique

Une transformation chimique conserve les atomes, mais pas les molécules : $2 H X_{2} + O X_{2} 2 H X_{2} O$ n'est pas une transformation physique, bien que les mêmes éléments s'y retrouvent. Inversement, une transformation nucléaire conserve $A$ et $Z$ , mais pas les éléments : les lettres du symbole chimique changent, et c'est le signe le plus sûr.

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