Un niveau d'organisation : les éléments chimiques

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La classification périodique des éléments, organisée en périodes et en familles.

1.1 Introduction : comment, à partir du seul élément hydrogène, la

diversité des éléments chimiques est-elle apparue ?

Prenez n'importe quoi : cette page, l'air que vous respirez, votre main, une étoile. Tout est fait de la même petite centaine de briques, les éléments chimiques. Ce n'est déjà pas banal. Mais il y a plus étrange encore : ces briques n'ont pas toujours existé. Il y a $13, 8$ milliards d'années, l'Univers ne contenait pratiquement rien d'autre que de l'hydrogène et de l'hélium. Ni carbone, ni oxygène, ni fer, ni or. Autrement dit : aucun des atomes dont vous êtes fait n'existait.

La question de ce chapitre est donc celle d'une origine. Comment, à partir du seul élément hydrogène, la diversité des éléments chimiques est-elle apparue ? La réponse tient en une phrase, mais c'est une phrase qu'il a fallu un siècle et demi pour écrire : les éléments sont fabriqués dans les étoiles.

Ce chapitre ne se contentera pas de vous donner cette réponse. Il montrera comment on l'a obtenue. Car il faut mesurer la gêne du problème : on ne peut pas aller voir. Le cœur du Soleil est à $150$ millions de kilomètres et sous $150$ millions de tonnes par mètre carré de pression ; aucune sonde n'y descendra jamais. Et pourtant nous savons qu'il y règne environ $15$ millions de degrés, que quatre noyaux d'hydrogène y fusionnent en un noyau d'hélium, et que cela dure depuis $4, 6$ milliards d'années. Ce savoir-là n'est pas une croyance : il a été construit, discuté, contesté, corrigé. Le suivre pas à pas, c'est comprendre ce qu'est une connaissance scientifique.

Trois fils courent dans ce chapitre.

Compter. De quoi le monde est-il fait, et en quelle proportion ? Nous verrons qu'une même réalité peut donner deux graphiques opposés selon la manière dont on compte — et qu'aucun des deux n'est faux.
Fabriquer. Les noyaux se transforment. Deux mécanismes s'opposent, la fusion et la fission, et l'on doit savoir les reconnaître sur une équation.
Défaire. Certains noyaux sont instables : ils se désintègrent. Le moment où un noyau donné le fera est imprévisible, et pourtant le comportement d'un échantillon obéit à une loi d'une régularité parfaite. Ce paradoxe apparent est l'un des plus beaux exemples de ce que les mathématiques du hasard apportent aux sciences de la nature ; il fournit aussi, en prime, une horloge qui permet de dater une peinture rupestre, un os, ou la Terre elle-même.

iRemarqueUn chapitre à quatre disciplines

Vous verrez ici de la physique (les noyaux), de la chimie (les éléments et leurs proportions), des sciences de la vie et de la Terre (la composition du globe et des êtres vivants, la datation), et des mathématiques (suites géométriques, probabilités, lectures graphiques). C'est voulu : l'enseignement scientifique n'a pas de cloisons. Les renvois vers la partie mathématique du livre sont signalés par le symbole $\leftrightarrow$ , comme dans le programme officiel.

1.2 Le vocabulaire du noyau : élément, nucléide, isotope

Avant de raconter la fabrique des éléments, il faut fixer trois mots. Ils sont souvent confondus, et la confusion rend tout le reste incompréhensible.

Un atome est constitué d'un noyau, minuscule et massif, autour duquel se répartissent des électrons. Le noyau contient deux sortes de particules, appelées ensemble nucléons : les protons, de charge électrique positive, et les neutrons, de charge nulle.

Définition 1.1Numéro atomique, nombre de masse, notation d'un noyau

Le numéro atomique $Z$ est le nombre de protons du noyau. Le nombre de masse $A$ est le nombre total de nucléons, protons et neutrons confondus. Le nombre de neutrons vaut donc $A - Z$ . On note un noyau $_{Z}^{A} X$ où $X$ est le symbole chimique. Ainsi $_{6}^{12} C$ est un noyau de carbone à $6$ protons et $6$ neutrons.

Définition 1.2Élément chimique

Un élément chimique est l'ensemble des atomes ayant le même numéro atomique $Z$ . C'est $Z$ , et lui seul, qui fait l'identité chimique : tout noyau à $6$ protons est du carbone, quel que soit son nombre de neutrons.

Définition 1.3Isotopes

Deux noyaux sont isotopes lorsqu'ils ont le même $Z$ mais des $A$ différents : même élément, nombres de neutrons différents. Le carbone possède ainsi trois isotopes naturels : $_{6}^{12} C$ (le plus abondant, $98, 9 %$ ), $_{6}^{13} C$ ( $1, 1 %$ ) et $_{6}^{14} C$ , présent à l'état de traces — et radioactif.

iRemarquePourquoi cette distinction est décisive ici

Les isotopes d'un élément ont exactement les mêmes propriétés chimiques : une plante ne fait aucune différence entre le carbone 12 et le carbone 14, et les absorbe dans la proportion où elle les trouve. En revanche, ils n'ont pas du tout les mêmes propriétés nucléaires : le carbone 12 est stable pour l'éternité, le carbone 14 se désintègre. Toute la datation au carbone 14 repose sur cet écart entre l'indifférence de la chimie et la sévérité du noyau.

Aujourd'hui, $118$ éléments chimiques sont recensés. Parmi eux, $94$ existent à l'état naturel sur Terre ; les autres n'ont été obtenus qu'artificiellement, dans des accélérateurs, et disparaissent en une fraction de seconde. Et parmi ces éléments, $80$ seulement possèdent au moins un isotope stable, c'est-à-dire un noyau qui ne se désintègre pas. C'est cette « centaine d'éléments chimiques stables » dont parle le programme, et dont il faut expliquer l'existence.

Exemple 1.4Deux trous dans le tableau périodique

Entre l'hydrogène ( $Z = 1$ ) et le plomb ( $Z = 82$ ), deux éléments seulement n'ont aucun isotope stable : le technétium ( $Z = 43$ ) et le prométhium ( $Z = 61$ ). Ils ont d'ailleurs été prédits par Mendeleïev comme cases vides, puis longtemps cherchés en vain dans les minerais terrestres — pour une raison que l'on ne comprendra qu'au XX^e siècle : ils n'y sont pas parce qu'ils se sont désintégrés depuis longtemps. Le technétium a finalement été produit artificiellement en 1937. Au-delà du plomb, plus aucun élément n'a d'isotope stable.

1.3 De quoi le monde est-il fait ? L'abondance des éléments chimiques

1.3.1 Un premier savoir : la matière n'est pas répartie au hasard

Proposition 1.5La composition de l'Univers, de la Terre et des êtres vivants

La matière connue de l'Univers est formée principalement d'hydrogène et d'hélium, alors que la Terre est surtout constituée d'oxygène, d'hydrogène, de fer, de silicium, de magnésium, et les êtres vivants de carbone, hydrogène, oxygène et azote.

Trois compositions, trois listes différentes. Aucune n'est un hasard : chacune est la trace d'une histoire — celle du Big Bang pour l'Univers, celle de la formation d'une planète rocheuse pour la Terre, celle de la chimie du carbone en milieu aqueux pour le vivant.

Les ordres de grandeur méritent d'être retenus, au moins grossièrement.

L'Univers (sa matière ordinaire) : environ $74 %$ d'hydrogène et $24 %$ d'hélium en masse. Tout le reste — tous les autres éléments réunis — pèse environ $2 %$ . Si l'on compte non plus les masses mais les atomes, le déséquilibre est encore plus violent : $92$ atomes sur $100$ sont de l'hydrogène, $8$ sont de l'hélium, et il en reste moins de deux pour mille pour tous les autres.
La Terre entière : le fer ( $\approx 32 %$ en masse, concentré dans le noyau) et l'oxygène ( $\approx 30 %$ ) dominent, devant le silicium ( $\approx 15 %$ ) et le magnésium ( $\approx 14 %$ ).
La croûte terrestre, la seule partie que nous touchions : l'oxygène ( $\approx 47 %$ en masse) et le silicium ( $\approx 28 %$ ) écrasent tout le reste. En nombre d'atomes, l'oxygène représente même près de $60 %$ de la croûte et le silicium $20 %$ ; l'hydrogène, presque invisible en masse (moins de $0, 2 %$ ), y occupe pourtant le troisième rang en nombre d'atomes (environ $3 %$ ), apporté par l'eau des océans et des roches hydratées. C'est à ce titre qu'il figure dans la liste du programme pour la Terre.
Un être humain : oxygène $\approx 65 %$ , carbone $\approx 18 %$ , hydrogène $\approx 10 %$ , azote $\approx 3 %$ en masse. Ces quatre éléments, dont on retient l'acronyme CHON, forment plus de $96 %$ de la masse d'un organisme.

Composition comparée de la matière ordinaire de l'Univers, du globe

terrestre, de la croûte terrestre et du corps humain, en proportion de masse. Une même couleur désigne partout le même élément. Aucun des quatre classements ne ressemble aux autres : l'hydrogène, écrasant dans l'Univers, ne pèse plus rien dans la croûte ; le fer, invisible dans l'Univers, domine le globe

terrestre.

1.3.2 Le piège du comptage : deux graphiques, une seule réalité

Voici maintenant une difficulté que le programme demande explicitement de travailler, et qui est bien plus qu'une finesse technique. Reprenons le corps humain. En masse, l'oxygène arrive largement en tête. Mais un atome d'oxygène est $16$ fois plus lourd qu'un atome d'hydrogène. Si l'on compte non plus des kilogrammes mais des atomes, le classement bascule : l'hydrogène passe premier avec près de deux atomes sur trois.

La composition d'un même corps humain, représentée de deux façons.

À gauche, on compte des masses ; à droite, on compte des atomes. Le premier du classement change. Les deux graphiques sont exacts : ils ne répondent

simplement pas à la même question.

Méthode : Produire et analyser une représentation graphique de l'abondance des éléments

Face à un tableau de composition, procéder dans cet ordre.

Identifier la grandeur comptée. Masse ? nombre d'atomes ? volume ? Sans cette information, un graphique d'abondance ne veut rien dire.
Vérifier que le total fait $100 %$ . Sinon, un poste « autres » manque : le rajouter plutôt que de laisser croire à un oubli.
Choisir la représentation selon la question posée. Un diagramme circulaire ou une barre empilée à $100 %$ montrent la part de chacun dans un tout ; un diagramme en barres juxtaposées compare des postes entre eux ; plusieurs barres empilées côte à côte comparent des compositions.
Garder une couleur par élément d'un graphique à l'autre : c'est ce qui rend la comparaison lisible (voir la figure ci-dessus).
Se méfier des écrasements d'échelle. Quand un poste vaut $92 %$ et un autre $0, 01 %$ , le second est invisible : il faut l'écrire en toutes lettres, ou changer d'échelle.
Conclure par une phrase, pas par un dessin : « dans la croûte terrestre, deux éléments seulement représentent les trois quarts de la masse ».

$\leftrightarrow$ Tableaux croisés, représentations de données et calcul algébrique : voir le chapitre « Analyse de l'information chiffrée » de la partie mathématique.

Exemple 1.6Passer des masses aux nombres d'atomes

Dans un adulte de $70$ kg on compte environ $45, 5$ kg d'oxygène et $7, 0$ kg d'hydrogène. Les masses molaires valent $M (O) = 16$ g $\cdot$ mol $^{- 1}$ et $M (H) = 1, 0$ g $\cdot$ mol $^{- 1}$ . Donc $n (O) = \frac{45 500}{16} \approx 2840 mol, n (H) = \frac{7 000}{1 , 0} = 7000 mol .$ Il y a donc environ $2, 5$ fois plus d'atomes d'hydrogène que d'atomes d'oxygène, alors qu'ils pèsent $6, 5$ fois moins. Le renversement du classement vient tout entier de là.

iRemarqueCe que ce renversement enseigne sur la science

Deux graphiques contradictoires, tous deux honnêtes : voilà une leçon de méthode qui dépasse de loin la chimie. Un chiffre n'a de sens qu'accompagné de la question à laquelle il répond. C'est aussi le premier réflexe critique à avoir devant un graphique lu dans la presse ou sur un réseau social : qu'est-ce qui a été compté, exactement ?

1.4 La fabrique des éléments : les réactions nucléaires dans les étoiles

1.4.1 Le savoir à construire

Proposition 1.7Les éléments chimiques sont fabriqués dans les étoiles

Les noyaux des atomes de la centaine d'éléments chimiques stables résultent de réactions nucléaires qui se produisent au sein des étoiles à partir de l'hydrogène initial.

Une étoile n'est pas seulement une source de lumière : c'est un réacteur nucléaire. Elle assemble les noyaux légers en noyaux plus lourds, et rejette dans l'espace, en mourant, la matière qu'elle a fabriquée. Les atomes de carbone de votre peau, le fer de votre sang, le calcium de vos os ont tous été produits dans le cœur d'étoiles mortes avant que le Soleil n'existe.

1.4.2 Trois lieux de fabrication

Il faut distinguer trois épisodes, très différents par leur durée et par leur production.

Les trois premières minutes.

Dans l'Univers primitif, extrêmement chaud et dense, les protons et les neutrons ont pu s'assembler. Cet épisode, appelé nucléosynthèse primordiale, dure environ trois minutes et s'arrête net : l'Univers, en se dilatant, refroidit trop vite. Il en sort environ $75 %$ d'hydrogène et $25 %$ d'hélium en masse, plus des traces de deutérium, d'hélium 3 et de lithium 7. Aucun noyau plus lourd. C'est là le point crucial : le carbone, l'oxygène, le fer n'existaient pas encore.

Le cœur des étoiles.

Quelques centaines de millions d'années plus tard, la gravitation rassemble ce gaz en étoiles. Au centre, la température atteint des millions de degrés et la fusion démarre. Dans le Soleil, quatre noyaux d'hydrogène finissent par donner un noyau d'hélium. Dans les étoiles plus massives, l'hélium fusionne à son tour en carbone, puis en oxygène, néon, magnésium, silicium… jusqu'au fer. Et là, la chaîne s'arrête : au-delà du fer, assembler des noyaux ne libère plus d'énergie, elle en consomme. Le fer est le terminus de la fusion stellaire.

Les cataclysmes.

Comment fabriquer alors le cuivre, l'argent, l'or, l'uranium ? Il faut des évènements violents et brefs, où les noyaux sont noyés sous un flot de neutrons qu'ils capturent les uns après les autres : les explosions d'étoiles massives (supernovæ) et les collisions d'étoiles à neutrons. Le $17$ août $2017$ , une telle collision a été détectée par ses ondes gravitationnelles (évènement GW170817) ; l'analyse du spectre de la lueur qui a suivi a permis d'y identifier du strontium (résultat publié en $2019$ ) — la première observation directe de la fabrication d'un élément lourd.

Les trois lieux de fabrication des éléments chimiques. Chaque étape

part de ce que la précédente a laissé : l'hydrogène primordial alimente les étoiles, et les étoiles alimentent les cataclysmes. Aucune n'aurait suffi

seule.

1.4.3 Fusion et fission : les distinguer sur une équation

Définition 1.8Réaction nucléaire

Une réaction nucléaire est une transformation qui modifie les noyaux eux-mêmes, et non la seule répartition des électrons comme le fait une réaction chimique. Dans toute réaction nucléaire, deux quantités se conservent : le nombre total de nucléons $A$ et la charge totale $Z$ .

Exercices du chapitre

Deux graphiques pour un même corps corrigé
Fusion ou fission ? corrigé
Compléter des équations de nucléosynthèse corrigé
Après une thérapie à l'iode 131 corrigé
Déterminer une demi-vie à partir de mesures corrigé
Dater un charbon de bois

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