Mme FEDAOUI Dalila Responsable du Module De Chimie

1. Université Badji Mokhtar Annabadépartement de Biologie 1ière Année L.M.D.S.N.V cours de Chimie I Mme FEDAOUI Dalila Responsable du Module De Chimie

2. Structure de l’atome. • Le noyau et les électrons. • - Les atomes sont constitués d’un noyau très dense, chargé positivement, entouré d’électrons (charge électrique négative). • Le noyau est constitué de deux types de particules (protons et neutrons) appelées nucléons.

3. La mole est la quantité de matière contenant 6,02 1023 entités (entités = molécules, atomes ou ions). • Le symbole de la mole est mol. • Le nombre de moles est représenté par la lettre n. 6,02 1023 permet la conversion du nombre d'entités (molécules, atomes ou ions) en nombre de moles et inversement

4. Dans l'atome neutre, le nombre de protons = le nombre d'électrons : !!! Z c'est AUSSI le nombre d'électrons !!! Mais dans le cas des cas ions le nombre de proton n’est pas égal au nombre d’électron Un ion est un atome, ou un groupe d'atomes, ayant perdu ou gagné un ou plusieurs électrons :Un ion négatif (anion) a gagné des électrons,Un ion positif (cation) a perdu des électrons. Les isotopes: Les isotopes sont des nucléides d'un même élément dont les noyaux possèdent : le même nombre de protons (sinon ce ne serait pas le même élément) mais pas le même nombre de neutrons : même Z mais différents A le 12C, le 13C et le 14C sont trois isotopes du carbone, car ils possèdent tous 6 protons. Cependant, leurs nombres de neutrons diffèrent le 12C en a 6, le 13C en a 7, et le 14C en a 8. Certains isotopes, naturels ou artificiels, sont instables. Ils peuvent alors se désintégrer en émettant des rayonnements. On dit alors qu'ils sont radioactifs. Les isotopes radioactifs sont parfois appelés radio-isotopes. Par exemple, le 12C et le 13C sont stables alors que le 14C est radioactif

6. Abondance des isotopes : L'élément est souvent constitué de plusieurs isotopes présents dans diverses proportions nommées abondance :

7. La radioactivité 1)-Historique.La radioactivité a été découverte par Henri BECQUEREL en 1896 (1852 – 1908). Il découvre la radioactivité de l’uranium au cours de travaux sur la phosphorescence.Les travaux sont poursuivis par Pierre et Marie CURIE. En 1898, ils découvrent la radioactivité du polonium Po 210 et du radium Ra 226.En 1903 : prix Nobel de physique (Henri BECQUEREL avec Pierre et Marie CURIE).La radioactivité artificielle fut mise en évidence en 1934 par Irène et Frédéric JOLIOT – CURIE. Ils ont crée par réaction nucléaire un isotope radioactif du phosphore.On connaît actuellement, une cinquantaine de nucléidesnaturels radioactifs et environ 1200 nucléides artificiels radioactifs. 2) Définition : Un noyau radioactif est un noyau instable dont la désintégration (destruction) provoque l'apparition d'un nouveau noyau, l'émission d'une particule notée α, β- ou β+, et fréquemment l'émission d'un rayonnement électromagnétique noté γ . La radioactivité est une réaction dite nucléaire car elle concerne le noyau de l'atome par opposition aux réactions chimiques qui ne concernent que le cortège électronique sans modifier le noyau.

8. Lorsqu’un noyau AZX  est instable, il subit une transformation spontanée conduisant à la formation d’un nouveau noyau A’Z’Y . Ce phénomène porte le nom de radioactivité- AZX  est appelé le noyau père et A’Z’Y .  est appelé le noyau fils.- Cette transformation radioactive s’accompagne de l’émission de particules et de rayonnements électromagnétiques. Les particules  (alpha). Ce sont des particules représentant , des noyaux d’hélium dont l’écriture symbolique : 42He Elles sont arrêtées par une feuille de papier et par une épaisseur de quelques centimètres d’air. elles ne sont pas dangereuses pour la peau. Par contre, elles sont dangereuses par absorption interne : inhalation, ingestion.   L'équation s'écrit :  AZ X →  A-4Z-2 Y +  42 He La radioactivité α concernent les noyaux lourds ( Z > 83 )

9. Les particules (bêta).On distingue : - Les particules -qui sont des électrons : 0-1e Elles pénètrent la peau sur une épaisseur de quelques millimètres. Elles sont dangereuses pour la peau.   l'équation s'écrit :  AZ X  →  AZ+1 Y + 0- 1 e -Les particules β + qui sont des positons   0+1 e l’ équation de la désintégration s'écrit :AZ X →  AZ-1Y + 0+1 eDésexcitation γ :Le noyau fils est en général obtenu dans un état excité (niveau d'énergie élevé), il est noté Y*. Cet état est instable, le noyau se désexcite en évacuant cette énergie excédentaire, en émettant un rayonnement électromagnétique γ( particules très énergétiques appelées photons ). Equation d'une émission γ : Y*→ Y + γ

10. Les lois de la radioactivité • La décroissance radioactive • Définition: • Le nombre, dN, de désintégrations nucléaires spontanées qui se produisent dans une • quantité donnée de matière pendant un temps infiniment petit, dt, est proportionnel au • nombre d'atomes radioactifs (N) et au temps (dt) selon la relation • dN = - . N . dt              (1) • où  est la constante radioactive • Par intégration, on obtient : Nt = N0 . exp (-  . t)      (2) • Nt: nombre d’atome radioactif à un instant t • N0: nombre d’atome radioactif initial (100%) • t: temps

11. 2. La période radioactive : T Définition: La période radioactive d'un radionucléide, T, est le temps nécessaire pour que la moitié des atomes radioactifs présents initialement se soient désintégrés.   Au bout d'un temps t correspondant à une période, T, on a donc : NT = N0 / 2 = N0 . exp (- . T) soit :  . T = Ln 2 et donc : T = 0,693 /        (3) La période radioactive d'un radionucléide est une caractéristique de celui-ci et sa valeur est extrêmement variable : exemple : 21284Po (polonium) = 0,3 10-6 seconde 23290 (thorium) = 1,4 1010ans

12. 3. L'activité : A Définition : L'activité A d'un radionucléide est le nombre de désintégrations qui se produisent par unité de temps dans une quantité donnée de ce radionucléide  L'activité représente donc la vitesse de désintégration du radionucléïde : A = dN / dt des relations (1) et (2), on obtient : A = . N = (0,693 / T) . N    (4) On peut ainsi montrer que : At = A0 . exp (-  . t)       (5) • L'unité est le BECQUEREL (Bq): 1 Bq = 1 désintégration par seconde • L'ancienne unité encore très utilisée est le Curie (Ci): 1 Ci = 3,7 1010 d.p.s

13. 4. La relation masse-activité La masse molaire M d'un radionucléide est la masse de N atomes où N = nombre d'Avogadro = 6,02 1023 ;  La masse m de Nt atomes correspondant à une activité A, est :      M . Nt m = --------------             N et aussi M . N0 m0 = --------------            N On obtient la relation: mt = m0 . exp (-  . t)  

14. La méthode de datation au carbone 14 Les 3 principaux isotopes naturels du carbone sont :    Isotope 126C – stable 136C – stable 146C – radioactif En conséquence, dans les organismes vivants, il existe 1 atome de carbone 14 pour 1012 atomes de carbone 12. Le carbone 14 est présent dans l’atmosphère.  l'isotope 14 du carbone est formé dans la haute atmosphère via les radiations des neutrons cosmiques sur l'azote 14 selon la réaction : 147N + 10n ---> 146C + 11p le carbone 14est rapidement oxydé en 146CO2 tous les organismes vivants échangent du dioxyde de carbone avec l’atmosphère donc 146CO2 intègre le cycle cellulaire via la photosynthèse(plante) et l'alimentation (animaux) ; ainsi les organismes vivants échangent du carbone 12 contre du carbone 14 tout au long de leur existence. La proportion de cet isotope chez les organismes vivants est à peu prés équivalente à celle détectée dans l'atmosphère ; quand les organismes meurent, l'échange est arrêté et le stock de carbone 14 commence à décroître selon la période de cet isotope.

15. Période de demi-vie théorique de 5730 ± 40 ans (Godwin, 1962). • Conventions internationales : 5568 ± 30 ans (Libby, 1951). • Le 14C s’oxyde en dioxyde de carbone se mélangeant au CO2 de l’atmosphère et des océans. • Le 14CO2 ainsi formé est métabolisé par les plantes (photosynthèse), puis à travers elles, par tous les organismes vivants. Le cycle du carbone

16. Principe : • La proportion de carbone 14 dans les tissus est donc identique à celle de l'atmosphère tant que • l'organisme est en vie. A leur mort, la quantité de carbone 14 diminue selon la loi de • décroissance radioactive. • Un échantillon de matière organique issu de cet organisme peut donc être daté en mesurant soit le • rapport 14C/12C total avec un spectromètre de masse, moins la teneur en146C est élevée, plus la date de la mort est ancienne. • Ou bien Il suffit de Comparer A0 et At pour la détermination de l’âge.

17. Pour chaque organisme le taux de 14C reste constant tout au long de sa vie (échanges métaboliques). • Dès sa mort, il n'y a plus de renouvellement de 14C, c’est alors que son taux commence à décroître (radioactive decay) alors que les taux de 12C et 13C restent identiques. • Il suffit de Comparer A0 et At pour la détermination de l’âge. L'âge est calculé à partir de la formule de décroissance exponentielle radioactive : At = A0 · exp(-t) ; avec  = Ln2/t½ Ou directement par la formule suivante : t = (Ln A0 – Ln At) · 8033 ans

18. Equivalence masse énergie : 1) Relation d'Einstein : En 1905, en élaborant la théorie de la relativité restreinte, Einstein postule que la masse est une des formes de l'énergie : Un système au repos, de masse m possède une énergie de masse :                                       E : énergie de masse en joules (J) E = m.c2   avec               m : masse en kilogrammes (kg)                                       c : vitesse de la lumière dans le vide ( c = 3,0.108 m.s-1 ) (relation d'équivalence masse-énergie) Conséquence : Si le système (au repos) échange de l'énergie avec le milieu extérieur, (par rayonnement ou par transfert thermique par exemple), sa variation d'énergie ΔE et sa variation de masse  Δm  sont liées par la relation :  ΔE = Δm . C2 • Si Δm < 0 alors ΔE < 0,  le système cède de l'énergie au milieu extérieur et sa masse diminue. * Si Δm > 0 alors ΔE > 0, le système reçoit de l'énergie du milieu extérieur et sa masse augmente.

19. 2) Unités : A l'échelle atomique, l'unité joule est inadaptée , trop grande ; on utilise plutôt l'électron volt , eV : 1 eV= 1,60.10-19 J  et aussi le MeV:    1 MeV = 106 eV = 1,60.10-13 J. exemple : Déterminer l'énergie de masse E d'un proton en J et en MeV :  ( mp = 1,67.10-27 kg ) E = mp . c2 = 1,67.10-27 x (3,0.108)2≈ 1,50.10-10 J ≈ 939 MeV Remarque : A cette échelle, l'unité kg est aussi inadaptée, on utilise parfois l'unité de masse atomique notée u.m.a. Elle est égale au douzième de la masse d'un atome de carbone 126C . 1 u.m.a = M( 126C) / ( 12 NA ) = 12,0.10-3 / (12 x 6,02.1023 ) = 1,67.10-27 kg

20. Energie de liaison du noyau : 1) Défaut de masse du noyau : On a constaté en mesurant les masses que la masse du noyau atomique est inférieure à la somme des masses des protons mp et des neutrons mn qui le constituent : mnoyau < Z.mp + (A-Z).mn Cette différence est appelée défaut de masse Δm :   Δm = Z.mp + (A - Z).mn - mnoyau    ( Δm > 0 ) 2) Energie de liaison du noyau : Définition: On appelle énergie de liaison d'un noyau , notée El , l'énergie que le milieu extérieur doit fournir à un noyau au repos pour le dissocier en nucléons séparés au repos. Lorsque le noyau se dissocie, la masse augmente de Δm et l'énergie de Δm.c2. L'énergie de liaison d'un noyau a pour expression :                                        El : énergie de liaison du noyau (en J) à convertir en MeV El = Δm.c2    avec           Δm : défaut de masse du noyau (en kg)                                       c : célérité de la lumière dans le vide (en m.s-1)

21. 3) Energie de liaison par nucléon : Définition: L'énergie de liaison par nucléon d'un noyau notée EA est le quotient de son énergie de liaison par le nombre de ses nucléons.                                        EA: énergie de liaison par nucléon (en Mev/nucléon) EA = E1 / A    avec          El: énergie de liaison du noyau (en Mev)                                       A: nombre de nucléons du noyau Pour un noyau d'hélium : EA = El / 4 = 28,4 / 4 = 7,10 MeV / nucléon Remarque: EA permet de comparer la stabilité des noyaux entre eux. Plus l'énergie de liaison par nucléon est grande, plus le noyau est stable. Fission et fusion nucléaires : • Réactions nucléaires provoquées : Définition: Une réaction nucléaire est dite provoquée lorsqu'un noyau cible est frappé par un noyau projectile et donne naissance à de nouveaux noyaux.

22. 2) La fission nucléaire: réaction en chaîne : Définition: La fission est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd "fissile" donne naissance à deux noyaux plus légers. Exemple: Plusieurs réactions de fission de l'uranium 235 sont possibles: 10n + 23592U → 9438Sr + 14054Xe + 2 10n 10n + 23592U → 9136Kr + 14256Ba + 3 10n 10n + 23592U → 9437Rb + 14155Cs + 10n Les neutrons émis lors de la fission peuvent provoquer la fission d'autres noyaux. Si le nombre de neutrons émis lors de chaque fission est supérieur à 1, une réaction en chaîne peut se produire et devenir rapidement incontrôlable (bombe à fission : bombe "A" d'Hiroshima).

23. 3) La fusion nucléaire : Définition: La fusion nucléaire est une réunion de deux noyaux légers pour former un noyau plus lourd. Equation : 21H + 31H → 42He + 10n L'énergie libérée au cours d'une fusion est considérable. La fusion n'est possible que si les deux noyaux possèdent une grande énergie cinétique pour vaincre les forces de répulsion électriques. La fusion se produit naturellement dans les étoiles. Dans une bombe thermonucléaire (appelée bombe H), la fusion nucléaire est incontrôlée et explosive Elle est très intéressante pour produire de l'énergie , mais on ne la maîtrise pas suffisamment pour produire de l'électricité .