Notions de Chimie

Module : chimie de la Terre





Introduction sur le site: 17/01/01
Derniere modification: 17/01/01
 
 

       1- Atome, elements chimiques et isotopes

        Les notions d'element chimiques et d'isotopes sont fondamentales pour la comprehension des mecanismes chimiques qui se produisent dans la Terre. La constitution de l'atome permet de definir ces deux notions.
 

        Un atome est consitue de trois types de particules differentes: les protons, charges positivement, les electrons, charges negativement, et les neutrons, sans charges. L'assemblage neutrons/protons constitue le noyau autour duquel gravitent les electrons. Une analogie simple (simpliste ?) serait  un systeme planetaire, le Soleil jouant le role du noyau, et les planetes etant les electrons. Il faut toutefois faire attention avec cette analogie,car les electrons ne sont pas en orbite autour du noyau. Un atome dans un etat non perturbe a une charge totale nulle. Donc le nombre d'electrons et le meme que le nombre de protons.
 
Animation atome
Representer en gif anime :
  • un noyau de 2 couleurs, l'une pour les protons, l'autre pour les neutrons
  • autour duquel gravitent des electrons (3eme couleur)
Le commentaire ci-dessus pourra etre inserer autour, ou dans l'animation.
Il est egalement possible/souhaitable a ce moment la de faire l'analogie 'systeme planetaire' sous forme animee 
Voir http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl

 
          Un element chimique est caracterise par un numero atomique donne, c'est-a-dire un nombre donne de protons. Un element est caracterise par des proprietes chimiques qui lui sont propres. Il est donc facile de voir que les proprietes chimiques ne dependent que du numero atomique et pas du cortege electronique.
 
Representer en gif anime :
Animation elements
 Note: garder la meme convention de couleur
l'hydrogene (le plus simple):
1 proton avec un electron qui gravite autour		 l'oxygene: 8 protons et 8 neutrons pour le noyau, et 8 electrons qui gravitent autour  l'uranium (un element lourd): 92 protons, 146 neutrons, et 92 electrons qui gravitent autour

N.B. l'amination ci-dessus presente l'isotope (voir ci-dessous) de plus forte abondance de l'element considere

Note sur l'animation: je pense plutot a une vision avec deux d'echelles de regard:
    - l'atome: noyau autour duquel gravient les electrons: je pense plutot a une vision planaire pour que le visiteur puisse bien compter les differents
      electrons, sur les differentes orbitales. Le noyau sera alors represente comme un point (choisir une 4eme couleur)
    - le noyau (proposer donc un option de zoom avant-arriere, meme si ca peut se ramener a deux images distinctes): une vision du noyau, toujours avec les deux couleur
Voir http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl
 
 
 

        Chaque element chimique peut posseder plusieurs isotopes. Les isotopes ont donc le meme numero atomique, c'est-a-dire le meme nombre donne de protons, mais le nombre de neutrons varie. Chaque isotope d'un element donne est donc caracterise par son nombre de masse qui correspond a la somme des protons et des neutrons. Par exemple, l'hydrogene possede 3 isotopes:
 
 
Animation isotope
  
1H 2H ou deuterium 3H ou tritium
Dessin du noyau: 1 proton Dessin du noyau: 1 proton + 1 neutron Dessin du noyau: 1 proton + 2 neutrons
Abondance relative: 99,985 %
Abondance relative: 0,015 %
isotope radioactif

Pour conclure, la reference a un isotope se fait generalement sous la forme AXZ ou:


           2 - Classification periodique des elements

        En 1869, un chimiste russe, Dimitri Mendeleiev (contacter Vincent Deparis pour un eventuel approfondissement historique) eu l'idee de classer les éléments chimiques dans un tableau, dans l'ordre de leur masse atomique. Il les regroupe en lignes et en colonnes selon leur propriétés chimiques et physiques. Depuis la table a evolue, et le classement se fait par numero atomique. Cette classification permet de distinguer un certain nombre de familles d'éléments qui ont des propriétés physico-chimiques similaires. les Alcalins (Li, Na, K, Rb Cs), les Alcalino-terreux (Be, Mg, Ca, Sr, Ba), les éléments de la famille du Titane (Ti, Zr, Hf), les Halogènes (F, Cl, Br, I), les Gaz Rares (He, Ne, Ar, Kr, Xe), les Lanthanides ou Terres Rares, et enfin les Actinides, qui sont les elements les plus lourds.
 
 
 

animation tableau periodique 1 ou des proprietes physiques
Faire un tableau periodique classique.
Lorsque l'utilisateur passe sa souris sur une colonne, une ligne, les proprietes de chaque element s'affichent:
  • nom complet, masse atomique, numero atomique, utilisation (?) ...
  • il faut inclure une sous fenetre isotope, avec leurs differentes caracteristiques. Cette fenetre s'affiche si l'utilisateur le desire, cad clique dessus ou passe sa souris dessus ou ...
Note: il faudra resoudre les problemes lies aux groupes qui se chevauchent (lignes-colonnes-ensemble).

 
animation tableau periodique 2 ou des proprietes chimiques
Refaire le tableau periodique.
Lorsque l'utilisateur passe sa souris sur une colonne, une ligne, ou un ensemble d'elements caracterises par les memes proprietes (ex metaux de transition),
un roll over s'affiche (meme type que pour la page d'accueil) avec les principales caracteristiques du groupe considere
Note: il faudra resoudre les problemes lies aux groupes qui se chevauchent (lignes-colonnes-ensemble).

Biblio:
            Chimie1. Coll. Bio-Veto. P.Grecias et JP Migeon. Lavoisier Tec et Doc Ed.
            Elements de physique nucleaire. Blanc et Ambrosino. Masson et Cie Ed.
+ livres cites dans la partie radioactivite

Voir egalement:
http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl - http://www.webelements.com/webelements/elements/
Nous n'allons pas expliquer en détail cette classification mais rappeler les noms attribués aux différentes colonnes (éléments alcalinsÞ gaz rares) et la variation de taille sur une même colonne ou sur une même ligne.
Nous n'avons pas besoin de toutes les informations disponibles sur ces sites. L'essentiel est la masse, les différents isotopes d'un élément avec leurs masses et leurs abondances.
 

           3 - La radioactivite

               3.1 - La radioactivite et les phenomenes radioactifs

        La radioactivite est le phenomene d'emission spontanee d'une particule ou d'un rayonnement par un noyau atomique. Il existe quatre phenomenes radioactifs:

animation phenomenes radioactifs
la desintegration alpha: une particule alpha est un groupe de 2 neutrons et 2 protons qui quitte spontanement le noyau. Cette particule est en fait un noyau d'He. Ce type de desintegration n'affecte que les noyaux de masse atomique superieure a 82 (Pb).  Pour toute ces animations, le point de depart est un noyau (assez volumineux, avec les memes caracteristiques de couleur que precedement) d'ou est emis la particule caracteristique du phenomene radio considere.
la desintegration beta +: un neutron du noyau se transforme spontanement en proton, avec conjointement creation et emission d'un electron et d'un neutrino En cliquant sur le phenomene radio (texte ci-dessus) l'utilisateur obtient l'animation correspondante et le texte qui va avec (cf cases ci-contre) ainsi que l'ecriture mathematique de la reaction.
la desintegration beta -: un proton du noyau se transforme spontanement en neutron, avec conjointement creation et emission d'un positon (particule elementaire de meme masse que l'electron, mais de charge positive) et d'un antineutrino desintegration beta: il faudra voir un changement de couleur (neutron vers proton ou inversement) dans le noyau conjointement a l'emission de la particule
la fission spontanee: un noyau se separe spontanement en 2 a 3 fragments importants en emmetant quelques neutrons. Les fragments forment de nouveau noyaux radioactifs qui se desintegrent par beta successifs en un noyau stable. neutrino/amtineutrino: la definition apparaitra en roll-over: le neutrino (resp. l'antineutrino) est une particule elementaire de masse tres faible et ne possedant pas de charge. Il n'est virtuellement pas arrete par la matiere. Par exemple, des neutrinos cree dans les etoiles traversent l'ensemble de la Terre en permanence.
le rayonnement gamma: emmission d'un photon de haute energie. Ce rayonnement est generalement lie au retour a l'etat fondamental d'un noyau excite suite a une desintegration alpha ou beta. Pour l'emission gamma, il faudra partir de l'une des desintegrations, qui aboutira a un noyau dans un etat excite (petite ligne ondulee partant du
noyau, par ex. + note a cote), et retournera dans un etat stable avec emission d'un rayonnement gamma (photon: fleche ondulee qui part du noyau).

               3.2 - Les types de radioactivite

        Il existe deux type de radioactivite:

               3.2.1 - la radioactivite naturelle
        Elle fut decouverte par Henri Becquerel en 1896 (contacter Vincent Deparis pour un eventuel approfondissement historique). Elle provient de deux phenomenes majeurs: la nucleosynthese et l'interaction entre les materiaux de la surface terrestre et le rayonnement cosmique. Elle est tres utilisee pour la connaisance de la chimie de la Terre, en particulier pour la datation, pour connaitre l'age de la Terre, ou des differents constituants de la Terre, mais egalement pour tracer les mouvements d'elements chimiques dans la Terre.

image desintegration radioactive
232Th (A = 4n) - Serie du Thorium 238U (A = 4n+2) - Serie de l'Uranium 235U (A = 4n+3) - Serie de l'Actinium
Faire ou trouver le shema de ces trois chaines
* cette partie est hors de notre propos, elle ne sera donc pas developpee
 
 
animation rayonnement cosmique
animation en 3 etapes (3 echelles):
- echelle 1: systeme Terre. Un rayonnement (fleches ondulees) arrive sur la Terre, une partie penetre l'atmosphere, la majorite est reflechie, deviee. Position observateur: dans le systeme solaire.
- echelle 2: surface terrestre. Un rayonnement touche une surface rocheuse (photo ou reproduction) type granite/roche metamorphique.
- echelle 3: echelle atomique: un atome de XX est transforme en 10Be, et un atome de YY est transforme en 26Al lorsqu'ils sont touches par le rayonnement.
Le zoom devra etre continu/ transition type animation E=M6 type tunnel. 

                3.2.3 - La radioactivite artificielle
Elle est lliee aux activites anthropiques: centrales nucleaires, essais militaires, experiences scientifiques, medicales et biologiques...
Les geochimistes utilisent ce type de radioactivite pour des tracages dans les enveloppes fluides de la Terre. Ce sujet ne sera pas developpe, car il est hors de notre propos

Biblio:
           Introduction a la physique nucleaire. Haenge. Masson et Cie Ed.
            Les radioelement: production-dosage-application. D. Blanc. Masson et Cie Ed.