Fiche explicative de la leçon: Les isotopes Physics

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à calculer le nombre de protons, de neutrons et d’électrons d’un isotope à partir de son symbole chimique.

Le noyau d’un atome contient des protons et des neutrons. Les atomes d’un élément donné contiennent tous le même nombre de protons dans leur noyau. Le nombre de protons est représenté par le numéro atomique.

Par exemple, tous les atomes d’oxygène contiennent huit protons et tous les atomes de bore cinq protons. Mais tous les atomes d’un même élément ne contiennent pas forcément le même nombre de neutrons dans leur noyau.

Si nous pouvions considérer tous les atomes de bore qui existent à l’état naturel, nous trouverions deux types d’atomes de bore, représentés ci-dessous.

À première vue, ces atomes semblent identiques, mais l’atome de gauche possède six neutrons alors que l’atome de droite possède cinq neutrons. Des atomes qui possèdent le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent sont appelés des isotopes.

En plus d’avoir un nombre différent de neutrons, les isotopes d’un élément ont également un nombre de masse différent.

Il est possible de faire rapidement la distinction entre des isotopes en utilisant la représentation symbolique du noyau de chaque isotope, où le nombre en haut à gauche représente le nombre de masse et le nombre en bas à gauche le numéro atomique.

La lettre est le symbole chimique et les lettres et sont le nombre de masse et le numéro atomique. La lettre correspond au nombre de protons présents dans le noyau de l’atome. La lettre correspond au nombre total de protons et de neutrons.

Exemple 2: Identifier l’isotope le plus lourd

Lequel des isotopes suivants est le plus lourd ? 

Réponse

La représentation symbolique d’un noyau est une écriture simplifiée qui permet de donner des informations sur les atomes. Voici la représentation symbolique du noyau d’un atome. La lettre est le symbole chimique et les lettres et sont le nombre de masse et le numéro atomique.

La lettre est le numéro atomique et correspond au nombre de protons dans le noyau. La lettre est le nombre de masse et correspond au nombre total de nucléons dans le noyau atomique. Les atomes lourds ont un nombre de masse élevé et les atomes plus légers ont un nombre de masse plus faible.

Dans cette question, nous avons une liste d’atomes avec des nombres de masse et des numéros atomiques différents. L’option B correspond à l’atome le plus lourd car son nombre de masse est le plus grand. L’isotope d’argon est plus lourd que tous les autres atomes proposés, car il contient quarante-quatre nucléons alors que les autres atomes possèdent tous moins de nucléons. La bonne réponse à cette question est donc l’option B.

Les scientifiques utilisent l’équation suivante pour déterminer le nombre de neutrons présents dans le noyau d’un atome.

Regardons quelques exemples simples pour mieux comprendre la structure d’un isotope et déterminer son nombre de neutrons. Nous pouvons considérer les isotopes naturels du carbone. Considérons d’abord le carbone 12, puis le carbone 13 et le carbone 14. Le carbone 12 possède la représentation symbolique suivante.

Remarquons que le carbone est représenté par le symbole chimique C, que le numéro atomique du carbone 12 est 6 et que son nombre de masse est 12. Le numéro atomique du carbone 12 est six car il possède six protons. On peut déterminer le nombre de neutrons en faisant la soustraction 12 moins 6. L’équation suivante montre comment déterminer le nombre de neutrons dans l’isotope de carbone 12.

Cette première ligne introduit l’équation mathématique : 

Dans cette deuxième ligne, nous avons remplacé les valeurs numériques de et  : 

Cette dernière ligne présente le résultat de la soustraction 12 moins 6 : 

Le carbone 12 a donc six protons et six neutrons. Utilisons maintenant la même approche pour déterminer le nombre de nucléons dans les isotopes de carbone 13 et 14. Le tableau suivant récapitule le nombre de nucléons dans le noyau de ces deux isotopes de carbone.

Remarquons que tous les isotopes du carbone ont six protons mais qu’ils n’ont pas le même nombre de neutrons. L’isotope naturel a six neutrons et les deux autres isotopes ont sept ou huit neutrons. Notons également la manière dont s’écrivent les isotopes d’un élément. On écrit le nom de l’élément suivi du nombre de masse. L’atome de carbone possède 3 isotopes : le carbone 12, le carbone 13 et le carbone 14.

On peut déterminer la masse d’un atome à partir de la représentation symbolique du noyau d’un isotope car la masse des particules subatomiques ne varie pas. Le tableau suivant donne la masse des particules subatomiques contenues dans un atome.

Les protons et les neutrons ont en fait la même masse ( kg) et les électrons sont plus de mille fois plus légers. Les scientifiques déterminent la masse d’un atome en additionnant la masse de tous les protons et neutrons contenus dans le noyau atomique. Ils ne considèrent généralement pas la masse des électrons car la masse d’un électron est globalement négligeable.

Déterminons la masse d’un atome de l’isotope d’azote 14. D’abord, nous voyons que l’atome a sept protons et électrons parce que le numéro atomique de l’azote est sept. Nous déterminons ensuite que l’azote 14 a sept neutrons parce que où est égal à 14 et est égal à 7. Nous pouvons maintenant écrire l’équation qui permet de déterminer la masse d’un atome d’azote 14 : 

Le symbole représente la masse d’un proton. Les symboles et représentent respectivement les masses d’un neutron et d’un électron. Nous pouvons négliger la masse des électrons et simplifier l’équation comme suit : 

La masse de l’atome est la somme des masses de tous les protons et neutrons contenus dans le noyau. Dans l’équation suivante, on a remplacé les valeurs numériques de et .

Remarquons que la masse d’un atome d’isotope d’azote 14 est égale à la masse de sept protons et sept neutrons : 

L’équation peut aussi s’exprimer de la manière suivante parce que les masses d’un neutron et d’un proton sont égales. La masse d’un atome d’azote 14 vaut simplement la masse totale de quatorze protons ou neutrons : 

Sur la ligne suivante, on a remplacé les valeurs numériques de ou . En effectuant ce calcul, nous pouvons obtenir la masse d’un atome d’un isotope d’azote 14 : 

Sur la ligne suivante, nous avons le résultat de ce calcul. La masse d’un atome d’azote 14 est de kg. On peut déterminer de la même manière la masse de n’importe quel autre isotope. Il suffit simplement de multiplier le nombre total de nucléons par kg : 

La masse d’un atome est toujours approximativement égale au nombre de masse multiplié par la masse d’un proton.

Nous avons considéré les isotopes du bore, les isotopes du carbone et un isotope de l’azote. Mais il faut savoir qu’il existe beaucoup d’autres éléments et d’isotopes. Le tableau suivant donne le nom de certains éléments chimiques courants. Il indique également leurs symboles chimiques et leurs numéros atomiques. Remarquons que l’hydrogène possède un seul proton car son numéro atomique est un. Il possède le plus petit nombre de protons et tous les isotopes d’hydrogène d’origine naturelle ont une masse très faible.

Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.