Un niveau d'organisation : les éléments chimiques

Calculer et vérifier

L’élément fictif Z est un mélange de trois isotopes. Exploite le document 1 pour répondre.

1. 1.Relève la proportion de chaque isotope de Z, puis vérifie que le document est complet.

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   Isotope 50 : 0,6 ; isotope 52 : 0,3 ; isotope 53 : 0,1. Contrôle : $0,6+0,3+0,1=1$.

   Les proportions de tous les isotopes d’un élément se complètent : leur somme vaut 1, sinon un isotope manquerait.

2. 2.Qu’est-ce qui, dans leur noyau, est commun à ces trois isotopes de Z, et qu’est-ce qui les distingue ?

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   Commun : le nombre de protons, qui fixe le nom Z. Distinct : le nombre de neutrons.

   Le nom est fixé par les protons, la masse varie avec les neutrons : c’est la définition des isotopes.

3. 3.Détermine l’apport de chacun des trois isotopes, puis la masse moyenne de Z.

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   $50\times 0,6=30$ ; $52\times 0,3=15,6$ ; $53\times 0,1=5,3$ ; puis $30+15,6+5,3=50,9$.

   Chaque masse est multipliée par sa proportion, puis les trois contributions sont additionnées ; 0,5 point par contribution, 0,5 pour la somme.

4. 4.Un élève écrit : « $(50+52+53)÷3$, soit environ 51,7. » Explique son erreur et dis si son résultat est trop grand ou trop petit.

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   Il donne le même poids aux trois isotopes alors que l’isotope 50 est six fois plus fréquent que l’isotope 53. Son résultat est trop grand.

   La moyenne simple surestime ici les isotopes rares et lourds (52 et 53) : 51,7 dépasse la vraie valeur, 50,9.

5. 5.Sans refaire de calcul, explique pourquoi 50,9 est bien plus proche de 50 que de 53. Un atome de Z peut-il avoir cette masse ?

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   L’isotope 50 représente plus de la moitié de l’élément : il tire la moyenne vers lui. Aucun atome n’a la masse 50,9 : chacun a 50, 52 ou 53.

   Dans une moyenne pondérée, la valeur la plus fréquente pèse le plus ; et c’est un atome, non l’élément, qui a une masse.

Relier abondance et origine

Lis le document 2, puis réponds aux questions.

1. 1.Rends à chaque fiche son milieu : Univers, croûte terrestre ou matière vivante.

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   Fiche 1 : Univers ; fiche 2 : matière vivante ; fiche 3 : croûte terrestre.

   H et He : l’Univers ; C, H, O, N : le vivant ; O et Si, sans éléments légers et volatils : la croûte.

2. 2.Parmi les éléments de la fiche 2, lesquels ont été fabriqués dans des étoiles ? Lequel ne l’a pas été, et d’où vient-il ?

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   C, O et N viennent des étoiles ; H date des premiers instants.

   Plus lourd que l’hélium, un élément vient d’une étoile ; l’hydrogène est antérieur aux étoiles.

3. 3.D’après la fiche 1, de quelle époque date l’essentiel de la matière de ce milieu ?

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   Des tout premiers instants de l’Univers, avant toute étoile : ce milieu est surtout fait d’éléments primordiaux.

   L’abondance garde la trace du processus qui a produit les éléments : ici, l’origine primordiale.

4. 4.Un élève lit la fiche 2 et conclut : « La matière est faite surtout de carbone. » Cette conclusion est-elle valable ? Appuie-toi sur la ligne 5.

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   Non : la fiche 2 ne décrit qu’un milieu, le vivant, et la ligne 5 précise qu’on ignore même si les parts sont comptées en masse ou en nombre.

   On conclut sur le milieu étudié, sans généraliser ; et sans unité, aucun classement n’est sûr.

Calculer et vérifier

Un échantillon fictif ne contient que deux sortes d’atomes : 9 atomes légers de masse 1 pour 1 atome lourd de masse 20 (masses exprimées dans la même unité). Réponds aux questions en posant les calculs.

1. 1.Quelle part des atomes de l’échantillon les atomes légers représentent-ils ? Donne-la en pourcentage.

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   $9÷10=0,9$, soit 90 % des atomes.

   L’échantillon compte $9+1=10$ atomes, dont 9 légers.

2. 2.Calcule la masse totale des atomes légers, celle de l’atome lourd, puis celle de l’échantillon.

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   Légers : $9\times 1=9$ ; lourd : $1\times 20=20$ ; échantillon : $9+20=29$.

   Masse totale = nombre d’atomes × masse de chacun.

3. 3.Quelle part de la masse de l’échantillon les atomes légers représentent-ils ? Arrondis au pour cent.

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   $9÷29\approx 0,31$, soit environ 31 % de la masse.

   Masse des légers rapportée à la masse totale ; le lourd porte les 69 % restants.

4. 4.Quelle sorte d’atomes est la plus abondante dans cet échantillon ? Réponds de deux façons et tire la leçon pour la lecture d’un tableau d’abondance.

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   En nombre, les légers (90 %) ; en masse, le lourd (environ 69 %). Sans l’unité de comptage, on ne peut pas dire quel élément « domine ».

   Première étape de la méthode : vérifier si l’abondance est donnée en masse ou en nombre d’atomes.

Écrire pour expliquer

En t’appuyant sur le document 3 et sur le cours, rédige un paragraphe de huit à dix lignes qui répond à la question : « Pourquoi peut-on affirmer que le carbone de nos os est plus ancien que le système solaire ? »

1. 1.Je cite le lieu et le mécanisme de fabrication du carbone, avec la ligne du document 3.

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   Une étoile, par fusion (lignes 3 et 4).

   Le cours le confirme : les éléments plus lourds que l’hélium sortent des étoiles.

2. 2.J’explique comment ce carbone a quitté son étoile.

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   Elle l’a rejeté en achevant sa vie (ligne 5).

   Sa matière est dispersée dans le milieu interstellaire ; sinon, le carbone ne rejoindrait aucun nuage.

3. 3.J’établis l’ordre des événements et j’en tire l’antériorité du carbone.

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   Fabrication, dispersion, puis formation du système solaire (ligne 6) : le carbone existait avant le Soleil et la Terre.

   C’est le cœur de l’argument : ce qui entre dans la formation d’un objet existe avant lui.

4. 4.J’écarte l’hypothèse d’un carbone primordial, en citant le document.

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   Le début de l’Univers n’a donné que les éléments les plus légers (lignes 1 et 2).

   Le carbone est donc postérieur aux premiers instants et antérieur au système solaire.

5. 5.J’emploie au moins un connecteur de chronologie ou de conséquence.

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   Par exemple : d’abord, ensuite, puis, donc, c’est pourquoi.

   Le connecteur rend visible l’ordre des événements, cœur de la démonstration.

6. 6.Mon paragraphe commence par répondre et se termine par une conclusion.

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   Ouverture : « Le carbone de nos os est plus ancien que le système solaire parce que… » ; conclusion qui la reprend.

   Un paragraphe argumenté annonce, démontre, puis confirme sa réponse.