Notion d'isotopes | Entités chimiques stables et ions - Physique-Chimie Seconde

La notation standard est ^AX_Z ou ^AX

Où A est le nombre de masse (protons + neutrons)

Z est le numéro atomique (nombre de protons)

X est le symbole de l'élément

• Protons : particules chargées positivement (+1)
• Neutrons : particules électriquement neutres (0)
• Nombre de protons = numéro atomique Z
• Nombre de neutrons = A - Z
• Nombre de masse A = protons + neutrons

• Similitudes : même Z, même nombre d'électrons, mêmes propriétés chimiques
• Différences : nombre de neutrons différent, masse différente, propriétés physiques légèrement différentes
• Exemple : ¹H (0 neutron) vs ²H (1 neutron)

• Protium (¹H) : 1 proton, 0 neutron, le plus abondant (~99,98%)
• Deutérium (²H ou D) : 1 proton, 1 neutron, abondance ~0,02%
• Tritium (³H ou T) : 1 proton, 2 neutrons, radioactif

• Carbone-12 (¹²C) : 6 protons, 6 neutrons, stable (~98,9%)
• Carbone-13 (¹³C) : 6 protons, 7 neutrons, stable (~1,1%)
• Carbone-14 (¹⁴C) : 6 protons, 8 neutrons, radioactif

• Oxygène-16 (¹⁶O) : 8 protons, 8 neutrons (~99,76%)
• Oxygène-17 (¹⁷O) : 8 protons, 9 neutrons (~0,04%)
• Oxygène-18 (¹⁸O) : 8 protons, 10 neutrons (~0,20%)

Le nombre de masse A est la somme des protons et des neutrons.

Le numéro atomique Z est le nombre de protons.

Donc le nombre de neutrons est la différence : A - Z.

• Carbone-12 : A=12, Z=6 → neutrons = 12-6 = 6
• Oxygène-16 : A=16, Z=8 → neutrons = 16-8 = 8
• Calcium-40 : A=40, Z=20 → neutrons = 40-20 = 20
• Uranium-238 : A=238, Z=92 → neutrons = 238-92 = 146

Le nombre de protons (Z) est toujours constant pour un élément donné.

Le nombre de neutrons peut varier → existence des isotopes.

C'est cette variation du nombre de neutrons qui distingue les isotopes.

• Les isotopes ont le même nombre d'électrons de valence
• La structure électronique est identique
• Les liaisons chimiques se forment de la même manière
• Les réactions chimiques sont identiques

Le deutérium (D) réagit comme l'hydrogène (H) dans les réactions chimiques.

Le tritium (T) se comporte comme l'hydrogène (H) dans les réactions.

Les isotopes du carbone forment les mêmes types de liaisons chimiques.

• Masses différentes → densités différentes
• Températures d'ébullition légèrement différentes
• Températures de fusion légèrement différentes
• Comportement dans les champs magnétiques

Les isotopes sont chimiquement indiscernables dans la plupart des réactions.

Les différences physiques permettent de les séparer dans certains cas.

Certaines propriétés physiques changent légèrement avec la masse.

• Imagerie médicale : Iode-131 pour la thyroïde, Technétium-99m pour les scanners
• Radiothérapie : Cobalt-60 pour traiter les cancers
• Marquage : Carbone-14 pour tracer des molécules biologiques
• Diagnostique : Fluor-18 pour la tomographie par émission de positons

• Carbone-14 : datation des objets organiques (jusqu'à 50 000 ans)
• Uranium-plomb : datation des roches anciennes
• Potassium-argon : datation des volcans

• Contrôle qualité : détection de défauts dans les matériaux
• Traceurs : suivi de produits dans les pipelines
• Énergie nucléaire : Uranium-235 pour les réacteurs
• Recherche : étude des mécanismes de réaction

Les isotopes ont le même Z mais un A différent.

Donc les isotopes sont : A (Z=6, A=12), B (Z=6, A=13), et D (Z=6, A=14).

Atome C (Z=7) est un autre élément (azote).

• Atome A : 6 protons, 6 neutrons, 6 électrons
• Atome B : 6 protons, 7 neutrons, 6 électrons
• Atome D : 6 protons, 8 neutrons, 6 électrons

• Atome A : ¹²C ou ¹²C₆
• Atome B : ¹³C ou ¹³C₆
• Atome D : ¹⁴C ou ¹⁴C₆

Les trois isotopes du carbone ont les mêmes propriétés chimiques car ils ont le même nombre d'électrons de valence (4).

Ils forment les mêmes types de liaisons chimiques.

Leurs propriétés physiques sont légèrement différentes à cause de leur masse différente.

• Ne se désintègrent pas spontanément
• Existent naturellement dans des proportions fixes
• Ne produisent pas de rayonnement
• Exemples : ¹H, ¹²C, ¹⁶O, ⁴⁰Ca

• Se désintègrent spontanément
• Émettent des rayonnements (alpha, beta, gamma)
• Ont une demi-vie caractéristique
• Exemples : ³H, ¹⁴C, ⁶⁰Co, ²³⁸U

La demi-vie est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs se désintègrent.

Exemples : Tritium (12 ans), Carbone-14 (5730 ans), Uranium-238 (4,5 milliards d'années).

La demi-vie permet de dater les objets archéologiques et géologiques.

• Chlore-35 : Z=17, A=35 → 17 protons, 18 neutrons, 17 électrons
• Chlore-37 : Z=17, A=37 → 17 protons, 20 neutrons, 17 électrons

Ces isotopes sont stables car ils ont des rapports protons/neutrons appropriés pour leur masse.

Les forces nucléaires suffisent à maintenir la cohésion du noyau.

Ils ne subissent pas de désintégration radioactive spontanée.

Masse moyenne = (35 × 0,7577) + (37 × 0,2423)

Masse moyenne = 26,52 + 8,96 = 35,48 u

La valeur réelle est 35,45 u (proche du calcul).

La masse atomique moyenne est une moyenne pondérée des masses des isotopes.

Elle dépend des abondances naturelles de chaque isotope.

La masse d'un atome n'est pas exactement la somme des masses de ses particules élémentaires.

• Les atomes sont ionisés (électrons arrachés)
• Les ions sont accélérés dans un champ électrique
• Les ions sont déviés par un champ magnétique
• La déviation dépend du rapport masse/charge
• Les ions de masses différentes arrivent à des positions différentes

Chaque pic dans le spectre correspond à un isotope.

L'abscisse du pic indique la masse de l'isotope.

L'ordonnée du pic indique l'abondance relative.

Le spectre permet d'identifier les isotopes présents.

Les masses 35 et 37 correspondent aux isotopes du chlore.

L'élément X est donc le chlore (Cl).

Les isotopes sont ³⁵Cl et ³⁷Cl.

Total des intensités : 100 + 32 = 132

Abondance de ³⁵Cl : (100/132) × 100 = 75,76%

Abondance de ³⁷Cl : (32/132) × 100 = 24,24%

Masse moyenne = (35 × 0,7576) + (37 × 0,2424)

Masse moyenne = 26,52 + 8,97 = 35,49 u

Cette valeur est très proche de la valeur réelle du chlore (35,45 u).

Le rapport des abondances (75,76/24,24 ≈ 3,13) correspond exactement au chlore.

La masse atomique moyenne calculée est très proche de la valeur connue.

Les masses 35 et 37 sont caractéristiques du chlore.

• 1 Même numéro atomique Z (mêmes protons)
• 2 Différent nombre de masse A (différents neutrons)
• 3 Mêmes propriétés chimiques
• 4 Propriétés physiques légèrement différentes

• Nombre de neutrons = A - Z
• Notation : ^AX_Z ou ^AX
• Nombre de protons = Z
• Nombre d'électrons = Z (dans un atome neutre)

• Isotopes stables : ne se désintègrent pas spontanément
• Isotopes radioactifs : se désintègrent avec émission de rayonnement
• Demi-vie : temps pour que la moitié des noyaux se désintègrent

• Médecine : imagerie, radiothérapie
• Archéologie : datation au carbone-14
• Industrie : contrôle qualité, traceurs
• Recherche : étude des réactions chimiques