Un niveau d'organisation : les éléments chimiques

Repérer une erreur et la corriger

La copie du document 1 contient quatre erreurs. Pour chacune, indique la ligne, explique ce qui est faux et écris ce qu’il fallait dire. Deux lignes sont justes.

Réponse rédigée. Ce que le correcteur attend, critère par critère :

1. 1.Ligne 2 — un proton de plus, le même élément.

   1 pt
   Voir la correction

   Un proton de plus fait changer de nom : ce ne serait plus du chlore.

   L’élément est défini par le nombre de protons, et par lui seul ; la masse n’entre pas dans sa définition.

2. 2.Ligne 3 — le lithium présenté comme un élément majeur de l’Univers.

   1 pt
   Voir la correction

   Sa part est infime : il n’a été produit qu’en quantité minuscule.

   Le cours dit « avec des traces de lithium » : présent dès les premiers instants ne signifie pas abondant. L’Univers est très majoritairement fait d’hydrogène et d’hélium.

3. 3.Ligne 4 — la fabrication stellaire décrite comme une casse de noyaux.

   1 pt
   Voir la correction

   C’est l’inverse : la fusion réunit des noyaux pour former des noyaux plus lourds.

   On ne fabrique pas un noyau lourd en cassant des noyaux légers : on les réunit. C’est la nucléosynthèse stellaire.

4. 4.Ligne 6 — un classement propre au vivant appliqué à l’Univers entier.

   1 pt
   Voir la correction

   Il ne vaut que pour la matière vivante ; l’Univers a son propre classement.

   On conclut sur le milieu étudié, sans généraliser : l’Univers, lui, est dominé par l’hydrogène et l’hélium.

Mettre en équation

Le tableau périodique indique 35,5 pour le chlore. Le chlore naturel est un mélange de deux isotopes, de masses 35 et 37. On note $x$ la proportion de l’isotope de masse 35. Sans autre donnée, retrouve la composition du chlore naturel.

1. 1.Exprime en fonction de $x$ la proportion de l’isotope de masse 37.

   0.5 pt
   Voir la correction

   $1-x$

   Le chlore naturel ne contient que ces deux isotopes : leurs proportions se complètent jusqu’à 1.

2. 2.Traduis par une équation en $x$ la valeur 35,5 donnée par le tableau.

   1 pt
   Voir la correction

   $35x+37(1-x)=35,5$

   Chaque masse est multipliée par sa proportion ; la somme des deux contributions est la valeur du tableau.

3. 3.Résous cette équation et donne la composition du chlore naturel en pourcentages.

   1.5 pt
   Voir la correction

   $35x+37-37x=35,5$, d’où $2x=1,5$ et $x=0,75$ : 75 % de chlore 35 et 25 % de chlore 37.

   Vérification : $35\times 0,75+37\times 0,25=35,5$. On retrouve bien la valeur du tableau.

4. 4.Un élève affirme : « Si la masse moyenne d’un élément est un nombre entier, cet élément n’a qu’un seul isotope. » Réfute-le par un contre-exemple construit avec deux isotopes de masses 35 et 37.

   2 pt
   Voir la correction

   Un mélange fictif à 50 % de chaque isotope donne $35\times 0,5+37\times 0,5=36$ : une moyenne entière, pour deux isotopes.

   Une moyenne pondérée peut tomber sur un entier par hasard des proportions : la valeur seule ne dit rien du nombre d’isotopes, et aucun atome de ce mélange ne pèse 36.

Raisonner sur une situation nouvelle

Le document 2 présente une situation imaginaire. Raisonne à partir du cours pour répondre.

1. 1.Qu’est-ce qui devrait dominer la composition de P ? Justifie.

   1 pt
   Voir la correction

   L’hydrogène et l’hélium.

   P a gardé ses éléments légers et volatils : sa composition doit rester proche de celle du nuage initial, dominé par l’hydrogène et l’hélium.

2. 2.Qu’est-ce qui devrait dominer la composition de R ? Rapproche-le d’un milieu étudié en cours.

   1 pt
   Voir la correction

   L’oxygène et le silicium, comme dans la croûte terrestre.

   R a perdu ses éléments légers et volatils, exactement comme la croûte terrestre : il lui reste des éléments plus lourds, dont l’oxygène et le silicium.

3. 3.Un observateur qui n’aurait étudié que R en déduirait que le nuage initial était riche en oxygène et en silicium. Montre que ce raisonnement est fautif.

   1.5 pt
   Voir la correction

   R ne reflète pas le nuage : il en a perdu les éléments légers et volatils. Conclure sur le nuage à partir de R, c’est généraliser un milieu transformé à toute la matière dont il est issu.

   La méthode impose de conclure sur le milieu étudié, sans généraliser ; un tri a eu lieu entre le nuage et R.

4. 4.Qu’apporte la comparaison de P et de R à l’idée qu’une composition chimique « garde la trace » d’une histoire ?

   1.5 pt
   Voir la correction

   P et R sont faits de la même matière au départ et n’ont pas la même composition : seule leur histoire, avoir retenu ou perdu les éléments légers, les sépare. Leur composition actuelle enregistre donc ce qui leur est arrivé.

   Relier l’abondance observée au processus qui l’a produite, c’est la quatrième étape de la méthode ; ici, la différence de composition ne s’explique que par une différence d’histoire.

Construire une argumentation

Un camarade affirme : « L’Univers est très majoritairement fait d’hydrogène et d’hélium. Le carbone et l’oxygène de notre corps sont donc une anomalie, que la science n’explique pas. » Rédige un développement construit d’une vingtaine de lignes qui discute cette affirmation : une introduction, deux parties et une conclusion.

Réponse rédigée. Ce que le correcteur attend, critère par critère :

1. 1.Introduction : l’affirmation reformulée, le problème posé, le plan annoncé.

   1 pt
   Voir la correction

   Exemple : « Notre corps ne ressemble pas, par sa composition, à l’Univers : faut-il y voir une anomalie ? Nous verrons d’où viennent le carbone et l’oxygène, puis pourquoi chaque milieu a sa propre composition. »

   L’introduction pose le problème sans y répondre encore et annonce le chemin suivi.

2. 2.Première partie : l’origine du carbone et de l’oxygène est connue.

   1.5 pt
   Voir la correction

   Hydrogène et hélium, avec des traces de lithium, se sont formés dans les premiers instants ; le carbone et l’oxygène, plus lourds que l’hélium, ont été fabriqués par fusion au cœur des étoiles, dispersés en fin de vie, puis incorporés au nuage dont le système solaire s’est formé.

   C’est le premier argument : ces éléments ont un processus de formation identifié. Ils ne sont pas inexpliqués.

3. 3.Seconde partie : chaque milieu a son propre classement.

   1.5 pt
   Voir la correction

   L’Univers est dominé par l’hydrogène et l’hélium, la croûte terrestre par l’oxygène et le silicium, la matière vivante par le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et l’azote : trois milieux, trois classements, aucune anomalie.

   C’est le second argument : le camarade compare deux milieux qui ne sont pas comparables.

4. 4.Rigueur de méthode : le milieu et l’unité précisés, aucune généralisation.

   1 pt
   Voir la correction

   Chaque donnée est rattachée à son milieu ; l’unité de comptage est évoquée ; aucune conclusion n’est étendue au-delà du milieu étudié.

   Ce sont les étapes de la méthode « exploiter une donnée d’abondance » ; elles distinguent une argumentation d’une opinion.

5. 5.Conclusion : une réponse nette à l’affirmation.

   1 pt
   Voir la correction

   Exemple : « La composition de notre corps n’est pas une anomalie : elle résulte de la nucléosynthèse stellaire et de la chimie propre au vivant. Elle garde la trace de l’histoire de la matière. »

   La conclusion répond à la question posée et relie l’abondance observée aux processus qui l’ont produite.