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Vidéo de la leçon: Les isotopes Physique

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

13:20

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous parlons d’isotopes atomiques. Nous apprendrons ce que ce terme signifie. Et nous verrons également comment le tableau périodique des éléments nous aide à comprendre les isotopes. En fait, en regardant le tableau périodique lui-même, nous pouvons commencer à trouver des indices sur les isotopes.

En regardant le tableau périodique, il y a beaucoup d’éléments et beaucoup d’informations présentés. Alors, concentrons-nous sur un seul élément du tableau. Disons que nous choisissons celui-ci ici. Si nous regardons en détail cet élément particulier, nous commencerons à voir plus d’informations à ce sujet. Selon le tableau périodique que nous utilisons, plus ou moins d’informations pourraient figurer dans ce petit espace sur cet élément particulier.

En général cependant, il y a quatre informations que nous voyons. Dans ce cas, nous voyons un nombre entier, sept, le symbole représentant cet élément, N majuscule, le nom de l’élément, puis un nombre en dessous de ce nom. Nous voyons alors que cet élément que nous avons choisi est l’élément azote. Et il est symbolisé par un N majuscule. Et plus que cela, chacun des nombres dans ce petit carreau nous dit quelque chose sur cet élément.

Le nombre entier en haut du panneau, dans ce cas sept, indique ce qu’on appelle le numéro atomique de cet élément. Le numéro atomique nous indique combien de protons se trouvent dans le noyau d’un atome d’azote. Ce nombre est très important. C’est ce qui identifie l’élément. Et en fait, en regardant le tableau périodique dans son ensemble, nous voyons que c’est le numéro atomique qui ordonne le tableau. En haut à gauche, nous commençons par un. Et puis, en haut à droite, nous passons à deux. Et puis, trois, quatre, cinq, six, sept, huit, neuf, 10, etc.

Tout cela signifie que si nous connaissons le numéro atomique d’un élément, nous pouvons facilement le trouver sur le tableau périodique. C’est ainsi que le tableau est configuré. Maintenant, il est logique que le numéro atomique soit un nombre entier. Dans un noyau atomique donné, nous ne pouvons avoir qu’un nombre entier de protons. Mais alors, qu’est-ce que c’est ce nombre ici en bas de ce panneau, 14,01, dans le cas de l’azote ? Ce nombre s’appelle la masse atomique moyenne de l’élément.

Il y a plusieurs choses à noter à propos de ce nombre. Tout d’abord, notez que c’est une valeur de masse. Mais alors cela soulève la question, quelles sont les unités de cette valeur de masse? 14,01 quoi, kilogrammes ou une autre unité? Étant donné la taille et le poids des atomes pris individuellement, si nous écrivions la masse de ces atomes en utilisant des unités de kilogrammes, ce nombre serait très très petit. Après tout, la masse d’un proton est d’environ 1,67 fois 10 puissance moins 27 kilogrammes.

Afin de pouvoir écrire les masses atomiques sans utiliser de très petits nombres, une unité de mesure a été développée, appelée uma. Cela signifie unité de masse atomique. Dans ce système d’unités, la masse d’un seul proton est d’environ un uma et similairement pour un neutron, qui est l’autre constituant des noyaux atomiques.

Maintenant, si nous considérons l’autre constituant des atomes, l’électron, la masse d’un électron dans cette unité est d’environ deux millièmes d’une unité de masse atomique. Puisque cette masse est si petite comparée à la masse d’un proton et d’un neutron, souvent lorsque nous calculons la masse totale d’un atome, nous négligeons la masse des électrons. En pratique, ce nombre, la masse atomique moyenne, peut être vu comme le nombre de protons et de neutrons dans un atome.

Mais remarquez ce mot intéressant, c’est une masse moyenne. Et nous voyons également que ce n’est pas un nombre entier, 14,01, plutôt que, disons, exactement 14. Ce sont des indices du tableau périodique qui nous disent qu’il est possible qu’un atome d’azote, un atome avec sept protons dans son nouyau, ait un nombre différent de neutrons dans ce noyau. Voici à quoi cela peut ressembler pour l’azote.

Ce que nous avons montré ici, c’est le noyau d’un atome d’azote. Comment saurions-nous que c’est un atome d’azote? Eh bien, si nous comptons les protons, les points bleus dans ce noyau, nous trouvons un, deux, trois, quatre, cinq, six, et puis sept, ce dernier presque cachés. Puisque c’est le nombre de protons dans le noyau qui détermine l’élément atomique, lorsque nous en comptons sept, nous cherchons dans le tableau périodique, et nous voyons que cela correspond à l’élément azote.

Et puis, si nous comptons le nombre de neutrons, ce sont les points verts, nous constatons qu’il y en a un, deux, trois, quatre, cinq, six et, encore une fois, sept. Donc, cet atome d’azote particulier a sept protons, ce qu’il doit, car c’est de l’azote, et il a sept neutrons. Maintenant, si nous additionnons tout cela, nous constatons que la masse totale de ce noyau est d’environ 14 unités de masse atomique. Une unité de masse atomique pour chaque proton et une pour chaque neutron.

Maintenant, si chaque atome d’azote dans le monde était exactement comme cela, ayant sept protons et sept neutrons, alors nous nous attendrions à ce que la masse atomique moyenne, ici, soit de 14. Mais ce n’est pas le cas. Notez qu’il est un peu plus grand que 14. La raison pour cela est qu’il est également possible d’avoir un atome d’azote, c’est-à-dire un atome avec un noyau qui a sept protons, mais qui contient un, deux, trois, quatre, cinq, six, sept, huit neutrons.

Donc, cet atome, qui est aussi un atome d’azote parce qu’il a sept protons, a huit neutrons. Ce qui signifie que si nous additionnons les masses de ces particules, nous obtenons un résultat d’environ 15 uma. Donc, ce sont deux atomes d’azote différents. Ils sont différents parce qu’ils ont un nombre différent de neutrons. Mais ce sont deux atomes d’azote, car ils ont tous deux sept protons. Chaque fois que nous constatons que cela se produit avec un élément particulier, où il y a le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons dans le noyau, nous disons que ce sont des isotopes les uns des autres. Dans cette situation, nous pourrions simplement les appeler des isotopes de l’azote.

Ce mot isotopes renvoie en fait au tableau périodique. Le préfixe iso signifie même. Et puis, topes se réfère à la place. Autrement dit, ces deux atomes d’azote différents se trouvent tous les deux au même endroit du tableau périodique, l’élément numéro sept.

Cette idée des isotopes nous aide à commencer à comprendre cette notion de masse atomique moyenne. La raison pour laquelle c’est une moyenne est parfois que l’azote a une masse d’environ 15 uma, alors que parfois sa masse est d’environ 14 uma. Soit dit en passant, la raison pour laquelle ce nombre particulier est si proche de 14 indique l’abondance relative de ce type d’atome d’azote sur cet autre type. En d’autres termes, les atomes d’azote avec sept neutrons sont beaucoup plus fréquents que les atomes d’azote avec huit neutrons.

En dehors du tableau périodique, lorsque nous notons un isotope, disons dans le cadre d’une réaction nucléaire, nous incluons souvent trois informations. Nous écrivons le symbole de l’isotope, et dans ce cas, le symbole de l’azote est le N majuscule. Nous écrivons également le numéro atomique de cet élément en bas à gauche. C’est sept pour l’azote, le nombre de protons dans son noyau. Et puis, en haut à gauche de ce symbole, nous écrivons ce qu’on appelle le nombre de masse. C’est le nombre de protons plus le nombre de neutrons dans ce noyau.

Donc, pour l’isotope de l’azote qui a sept neutrons, ce serait 14. Et nous pouvons écrire cela ici par cet atome particulier. Mais pour l’atome d’azote qui contient huit neutrons, le nombre de masse n’est pas 14, mais 15. La façon dont nous nous référons à ces différents isotopes est de dire que l’isotope à huit neutrons s’appelle azote-15, alors que celui à sept neutrons s’appellera azote-14.

L’une des raisons pour lesquelles ce concept d’isotope est important est que les isotopes d’un élément donné peuvent avoir différentes propriétés physiques et chimiques. Prenez le carbone par exemple. Le carbone est un élément qui a trois isotopes communs, le carbone-12, le carbone-13 et le carbone-14. Si nous devions dessiner les noyaux de ces trois isotopes, ils auraient tous six protons. C’est ce qui les rend des atomes de carbone. Mais le carbone-12 a six neutrons. Le carbone-13 en a sept. Et le carbone-14 en a huit. C’est ce qui nous donne les nombres de masse de 12, 13 et 14, respectivement.

Deux de ces isotopes du carbone, le carbone-12 et le carbone-13, sont stables, tandis que l’un, le carbone 14, est instable. C’est assez radioactif. Ainsi, le fait d’avoir un neutron supplémentaire par rapport au nombre de neutrons dans le carbone-13 rend le carbone-14 instable. Maintenant que nous savons ce que sont les isotopes, nous allons nous entraîner avec ces concepts à travers un exemple.

Un atome de platine porte le symbole chimique platine-195. Combien de protons l’atome de platine a-t-il? Combien de neutrons l’atome de platine a-t-il?

En jetant un œil à ce symbole chimique, nous voyons que P majuscule t est l’abréviation de platine. Afin de répondre à ces questions sur le nombre de protons et de neutrons de l’atome de platine, nous devons comprendre ces nombres à gauche de cette abréviation.

Nous voyons que ce nombre en bas à gauche est 78. Ceci est connu comme le numéro atomique de l’élément. Il nous indique le nombre de protons dans le noyau. C’est ce nombre qui donne à l’élément son identité et nous aide à le trouver dans le tableau périodique. Puisque le numéro atomique est le nombre de protons dans le noyau, cela nous donne la réponse à notre première question. La réponse est 78.

Pour répondre à la deuxième question sur le nombre de neutrons dans cet atome, nous devons regarder le nombre en haut à gauche. En général, il s’agit du nombre de masse d’un isotope. Tout comme le numéro atomique nous donne une information précise, en particulier il ést égal au nombre de protons dans le noyau, aussi le nombre de masse nous donne également une autre information importante. Il est égal au nombre de protons plus le nombre de neutrons dans le noyau.

Afin de trouver le nombre de neutrons dans cet atome de platine, nous pouvons effectuer une soustraction. Si nous prenons le nombre de masse de cet atome et en soustrayons le numéro atomique, cela nous donnera le nombre de protons plus le nombre de neutrons moins le nombre de protons. Au total, cela donnera le nombre de neutrons, la réponse à la deuxième partie de notre question.

Nous voyons que le nombre de masse de cet atome est 195. Et puis, le numéro atomique, c’est-à-dire le nombre de protons, est 78. 195 moins 78 est égal à 117. C’est alors le nombre de neutrons dans cet atome de platine.

Voyons maintenant un deuxième exemple.

Lequel des énoncés suivants est un autre nom pour indiquer le numéro atomique? a) nombre de nucléons b) nombre de masse c) nombre d’électrons d) nombre de protons e) nombre de neutrons.

Alors, ce nom, le numéro atomique, peut nous rappeler quelque chose parce que chaque fois que nous écrivons le symbole d’un isotope atomique, nous incluons ce nombre. Disons que nous avions un atome d’un élément composé que nous appellerons élément A. Lorsque nous écrivons sous forme symbolique un isotope particulier de cet élément, il est normal d’écrire le numéro atomique en bas à gauche du symbole et le nombre de masse en haut à gauche du symbole pour cet élément. Nous pouvons rappeler que ces deux termes indiquent quelque chose à propos de cet isotope. Le numéro atomique nous indique le nombre de protons dans le noyau. Et le nombre de masse nous indique le nombre de protons plus le nombre de neutrons.

Soit dit en passant, puisque les protons et les neutrons sont tous deux des éléments du noyau, parfois ils sont appelés des nucléons. Sachant tout cela, regardons une fois de plus nos options de réponse. Puisqu’un nucléon est soit un proton soit un neutron, cela signifie que le nombre de nucléons est la même chose que le nombre de masse, c’est-à-dire le nombre de protons et le nombre de neutrons dans le noyau. Nous avons vu que le nombre de masse et le numéro atomique se réfèrent à des choses différentes. Cela signifie que l’option a, ainsi que l’option b, ne décrivent pas le numéro atomique.

L’option c parle du nombre d’électrons. Ce sont des parties d’un atome qui ne se trouvent pas dans le noyau atomique. Le numéro atomique ne se réfère pas aux électrons, nous allons donc barrer ce choix également. Ensuite, nous arrivons à l’option d, le nombre de protons. Nous avons vu que le numéro atomique est une indication de ce nombre. Et puis, en ce qui concerne l’option e, nombre de neutron, eh bien, ce nombre est inclus dans le nombre de masse, mais le numéro atomique ne fait pas référence à ça. L’option e est alors à exclure. Nous trouvons que c’est en effet l’option d, le nombre de protons, qui est un autre nom pour indiquer le numéro atomique.

Résumons maintenant ce que nous avons appris sur les isotopes dans cette leçon. Nous avons appris que les isotopes sont des atomes avec le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. Par exemple, nous avons vu que l’élément azote a deux isotopes différents. Un isotope a sept neutrons dans son noyau et l’autre en a huit.

Nous avons appris en outre que les isotopes d’un élément occupent la même place dans le tableau périodique des éléments. Si nous recherchions nos deux isotopes de l’azote, nous chercherions l’élément numéro sept, c’est-à-dire l’azote, et constaterions que ces deux isotopes sont représentés sur la même carreau. Enfin, les isotopes d’un élément peuvent avoir des propriétés physiques et chimiques différentes. Par exemple, sur les trois isotopes du carbone que nous avons vu, deux étaient stables, tandis que l’un était instable, radioactif.

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