Activité 1 - Les éléments chimiques

Thème : Une longue histoire de la matière

CHAP I - UN NIVEAU d'ORGANISATION :

LES ELEMENTS CHIMIQUES

Act 1 : Origine des éléments chimiques

La matière, qu'elle soit inerte ou vivante, est constituée d'une grande diversité d'éléments chimiques organisés en structures complexes.

Comment, à partir du seul élément hydrogène, la diversité des éléments chimiques est-elle apparue ?

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1. Rappels : éléments chimiques - noyaux - isotopes

2. Identification d'éléments chimiques par spectroscopie

3. Formation des éléments chimiques

3.1 Du big bang à nos jours

3.2 Deux transformations pour former des éléments nouveaux

4. Abondance des éléments chimiques

Rappels : éléments chimiques - noyaux - isotopes

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Le modèle de l'atome est représenté ci-dessous. 1.1 Nommer les particules 1,2,3.

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Le noyau d'un atome est représenté symboliquement par la notation AZX. 1.2. X est le symbole de l'élément chimique. Que représentent les lettres A et Z ?

Rappel : "nucléon"

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1.3 Applications : a) Donner la composition du noyau d'argent noté : 10747Ag Noter le résultat sur votre compte-rendu en le justifiant.

b) Donner, en justifiant, la composition du noyau de plomb noté : 20882Pb

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L'élément chimique "carbone" existe sous la forme 146C mais aussi 136C et 126C. Ces atomes sont dits ISOTOPES. 1.4 Donner la composition des 3 isotopes du carbone. 1.5 Qu'ont de commun les noyaux de ces 3 atomes ? Qu'ont-ils de différents ? 1.6 En déduire laquelle des lettres A ou Z est caractéristique de l'élément chimique. La plupart des atomes ont plusieurs isotopes naturels. Certains sont stables d'autres sont instables (donc radioactifs). Chaque isotope est présent dans les proportions connues, dépendant de l'atome considéré. Exemple : l'atome d'hydrogène existe dans la nature sous les formes : 11H : 99,99% - 21H : 0,02% - 31H : traces infimes 1.7 Donner la composition des 3 isotopes de l'hydrogène.

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Identification d'éléments chimiques par spectroscopie

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La spectroscopie est l'étude des spectres de rayonnement d'émission et d'absorption d'une substance. Cette technique d'analyse très précise utilisée en astronomie permet de déterminer la composition chimique des étoiles, où se concentre la matière de l'Univers. Vidéo ou

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L'animation suivante permet de mettre en évidence la complémentarité des spectres d'émission et d'absorption d'un élément chimique Sur cette animation, le prisme est remplacé par un réseau (dispositif ayant la même action que le prisme sur la lumière). Consigne : allumer les deux sources de lumières et observer simultanément les spectres d'émission et d'absorption obtenus pour différents éléments chimiques Animation

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2.1 Expliquer comment on obtient un spectre d'émission ? et un spectre d'absorption ? 2.2 Quel lien existe-t-il entre ces deux types de spectres ? 2.3 A partir de l'animation suivante, identifier les élements chimiques présents dans la chromosphère des étoiles 1, 2 et 3. Animation

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Pour identifier précisément les éléments présents dans les étoiles, on trace l'intensité lumineuse en fonction de la longueur d'onde*, exprimée en nanomètre (nm). *La longueur d'onde est la grandeur mesurable caractérisant une couleur donnée. Selon le type d'étoiles, deux types de graphiques peuvent être obtenus :

Spectre de la constellation du taureau Spectre de la constellation du cygne

Questions 2.4 Lequel de ces deux spectres présente des raies d'emission ? d'absorption ? 2.5 Préciser dans chaque cas comment se manifestent ces raies sur le graphique.

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Application à l'identification des éléments d'une étoile : Spectre émis par l'étoile PCygni Valeurs des principales raies présentes dans des spectres d'émission Question 2.6 Donner la composition de l'étoile P Cygni dans la constellation du Cygne.

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Formation des éléments chimiques

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3.1 Du big bang à nos jours

Doc 2 : les travaux de Hans Bethe

Doc 1 : nucléosynthèses

Vidéo : Comment s'est créée la matière ?

Cette vidéo résume l'origine des éléments constituant notre Univers depuis le Big Bang à nos jours.

ou

Doc 3 : poussières d'étoiles

Hubert Reeves : Astrophysien québécois et vulgarisateur scientifique

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Questions 3.1.1 Tous les éléments chimiques sont-ils apparus en même temps dans l'Univers ? Quels sont les premiers à apparaître lors de la nucléosynthèse primordiale ? 3.1.2 Comment la nucléosynthèse stellaire a t-elle permis de former les éléments de plus en plus lourds ? Quel est le noyau le plus lourd obtenu par nucléosynthèse stellaire dans les étoiles les plus massives ? 3.1.3 Qu'appelle t-on une supernova ? Quelle est la conséquence d'une supernova ?

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3.2 Deux transformations pour former des éléments nouveaux

Doc 2 : fission nucléaire

Doc 1 : fusion nucléaire

Vidéo :

Vidéo :

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Questions 3.2.1 Définir la réaction de fusion nucléaire. 3.2.2 Attribuer les noms suivants aux chiffres du document 1 : neutron - hélium - deutérium - tritium. 3.2.3 Sachant que les noyaux de deutérium et de tritium ont tous 2 un proton, comment qualifier ces éléments ? 3.2.4 Définir la réaction de fission nucléaire. 3.2.5 Attribuer les noms suivants aux chiffres du document 2 : neutron - noyau cible - produits de la réaction. 3.2.6 Pourquoi peut-on parler de "réaction en chaîne" ?

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3.2 Deux transformations pour former des éléments nouveaux

Doc 3 : la formation d'éléments lors des nucléosynthèses stellaire et explosive

Nucléosynthèse explosive

Nucléosynthèse stellaire

A la fin de vie d'une étoile, une quantité d'énergie considérable est libérée et plusieurs transformations nucléaires se produisent. On parle alors de supernova. Plusieurs éléments sont créés.

Au coeur d'une étoile massive, les éléments sont répartis en couches. On observe alors plusieurs transformations successives.

Questions 3.2.7 Parmi les équations des transformations nucléaires numérotées de 1 à 6 dans le document 3, lesquelles correspondent à la fusion de noyaux ? celles à la fission de noyaux ?

Remarque : l'équation non numérotée n'est ni une réaction de fission, ni de fusion, il s'agit d'une désintégration radioactive (activité suivante)

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Mot de passe : entrer le numéro de la seule réaction de fission

Introduire le mot de passe

Abondance des éléments chimiques

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Doc : abondance des éléments dans l'Univers, la Terre et la matière vivante

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Questions 4.1 Citer les principaux éléments présents :- dans l'univers, - sur Terre 4.2 Ces résultats montrent que les éléments ne sont pas répartis dans les mêmes proportions dans tout l'Univers ? Proposer une explication à partir de vos connaissances sur la nucléosynthèse.

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Un spectre d'absorption est obtenu lorsque qu'une lumière blanche traverse un corps gazeux. Les éléments chimiques contenus dans le gaz absorbent les mêmes radiations qu'ils sont capables d'émettrent. Le spectre initialement continu présente alors des raies noires correspondant aux radiations absorbées. Les raies noires figurant dans un spectre d'absorption permettent donc d'identifier les éléments chimiques qui ont été traversées par la lumière. Spectre d'émission de l'hydrogène Spectre d'absoprtion de l'hydrogène

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Pour étudier une source de lumière, on place un prisme sur le trajet de la lumière émise, puis un écran. On observe alors un spectre d'émission de rayonnement.

-> Spectre de rayonnement d'un corps porté à incandescence. Ce spectre est un spectre continu (une bande colorée en dégradé) -> Spectre de rayonnement d’un élément chimique. Ce spectre est un spectre de raies. Chaque élément chimique possède un spectre d'émision de raies bien déterminé qui permet de l'identifier.

Atome d'hydrogène

Atome de mercure