Formation des éléments au sein des étoiles

Formation des éléments au sein des
étoiles
ACTIVITÉS
2
Activité de découverte : masse d’un atome de Bismuth
Le bismuth est une espèce chimique qui comporte 209 nucléons dont 83 protons.
1- Quelle est la composition d’un atome de bismuth ?
2- Calculer la masse du noyau de bismuth.
3- Calculer la masse d’un atome. La comparer à la valeur trouvée à la question précédente. Que
peut-on en conclure ?
Activité de découverte : les réactions de fusion au sein des étoiles
«À cause de sa trop faible masse, la compression gravitationnelle dans le Soleil ne suffit pas à
enclencher les réactions nucléaires qui pourraient synthétiser des éléments plus lourds que
l’hélium (2 protons, 2 neutrons), à partir de l’hydrogène (1 proton). De tels éléments, présents dans
le système solaire, préexistaient donc à sa naissance et ont été rassemblés au moment de la
formation de l’étoile.
• La situation est totalement différente dans les étoiles dont la masse dépasse une dizaine de fois
la masse solaire : la compression gravitationnelle y est suffisante pour enclencher une suite de
réactions qui vont créer des noyaux plus lourds. Une fois l’hydrogène épuisé, l’étoile massive se
contracte, la température s’élève et l’accroissement de l’énergie cinétique des noyaux d’hélium
compense leur répulsion électrique. De nouvelles réactions vont s’initier, créant des noyaux de
plus en plus lourds et stables. C’est le cas dans la réaction: 42 He + 42 He + 42 He →126 C
• On assiste ensuite successivement à la fusion du carbone qui peut donner du néon (Z = 10) ou
du sodium (Z = 11) ou du magnésium (Z = 12); puis le néon qui donne de l’oxygène (Z = 8), celle
de l’oxygène qui donne du silicium (Z = 14); enfin la fusion du silicium conduit au 56Fe (Z= 26), le
noyau le plus stable de tous. C’est là que s’arrête la nucléosynthèse par fusion, dans les étoiles les
plus grosses. Ainsi, chaque étape de la nucléosynthèse stellaire fournit des éléments de plus en
plus stables et de numéro atomique de plus en plus élevé, jusqu’à atteindre le fer.»
D’après Voyage au cœur de la matière, collectif Nepal, coédition Belin / CNRS, 2002.
12345-
Décrire la composition des noyaux d’hydrogène et d’hélium.
Pourquoi l’hydrogène est-il le plus simple des éléments ?
Que signifie l’écriture 42 He ? En déduire la composition du noyau de carbone 126 C .
Pourquoi les éléments plus lourds sont synthétisés dans les étoiles ?
Qu’est-ce qui caractérise l’élément néon, sodium, magnésium, oxygène,… ? Que signifie la
lettre la lettre Z ?
Activité de découverte : répartition des électrons autour d’un atome
Au cours du XXe siècle, les scientifiques ont élaboré le modèle de l’atome beaucoup plus riche que
le modèle de Rutherford permettant d’interpréter la formation des ions et des molécules.
Pour voir comment se répartissent les électrons au sein de l’atome, on utilise le logiciel e-couche.
1- Que représentent les points bleus, rouges ou jaunes ?
2- Comment se répartissent les électrons dans l’atome de chlore ? Est-ce valable pour les autres
éléments ?
Activité : Atome de phosphore
On donne la structure électronique d’un atome isolé : (K)2 (L)8 (M)5.
1- Donner en justifiant, son numéro atomique.
2- Sachant que sa masse est m = 5,30×10-26 kg. Déterminer son nombre de nucléons. On
considèrera que le proton et le neutron ont la même masse : mnucléon = 1,67×10-27 kg.
3- Donner la représentation symbolique du noyau de cet atome, sachant qu’il s’agit d’un atome de
phosphore (P).
Activité de découverte : les météorites martiennes
Une première information provient de l'étude δ
chimique des météorites. On utilise en particulier les
isotopes de l'oxygène. Dans la nature, plusieurs
atomes d’oxygène existent et ils diffèrent par leur
masse : un lourd (noté 18O), un moyen (noté 17O) et
un léger (le plus fréquent, noté 16O). On place sur le
même diagramme, les météorites et les roches
terrestres en fonction de leur composition en 18O et
en 17O. Si les échantillons analysés s'alignent sur
une même droite, cela indique que les roches sont
δ
issues du même astre initial.
Par exemple, toutes les
Alignement des différentes météorites et des
échantillons terrestres et lunaires dans un
roches terrestres sont sur
diagramme indiquant la composition en 18O en
une même droite. La Lune
fonction de la composition en 17O. δ désigne une
abondance relative.
est également sur cette
même droite, ce qui porte à
croire qu’elle aurait été formée à partir de la Terre.
Les SNC (pour Shergottite, Nakhlite, Chassignite qui désignent les trois
premières météorites martiennes découvertes sur Terre), sont alignées et
proviennent donc d'un même corps parent alors qu’elles ont été retrouvées
dans trois pays différents (l’Inde, l’Egypte et la France !)
A la fin des années 1970, ces SNC ont été datées, et les âges
respectifs ainsi déterminés sont extrêmement jeunes pour ces
météorites (inférieurs à 1,3 milliards d'années). Ces SNC
viendraient donc d'un astre possédant un volcanisme encore actif
à cette époque.
Les seuls astres de notre système solaire à avoir connu un
volcanisme récent capable de créer de telles roches il y a 1,3
milliards d’années sont Vénus, Io (satellite de Jupiter) et Mars.
Comme Vénus et Jupiter ont une gravité trop forte pour permettre
à des résidus d’impacts de s’échapper vers la Terre, seule Mars,
serait donc candidate à ce scénario. Cela fut prouvé par l’analyse
des gaz contenus dans les météorites. En effet, certains de ces
météorites contiennent des bulles de gaz, témoins probables de l'atmosphère du corps parent des
SNC.
L'analyse chimique et isotopique de ces gaz montre que :
ces gaz sont très différents de ceux de l'atmosphère terrestre,
ces gaz sont identiques à ceux de l'atmosphère martienne analysés in situ par les sondes
Viking (1976).
Donc, à moins d'un hasard extraordinaire, ces météorites viennent bien de Mars.
1234-
Quel est le numéro atomique de l’oxygène ?
Donner la composition des noyaux des éléments 18O, 17O et 16O ?
On dit que les éléments 18O, 17O et 16O sont isotopes. Proposer une définition de l’isotopie.
Sur la courbe on voit apparaître différents gaz. Classer les en deux familles : les molécules et
les atomes. Expliquer votre démarche.
5- Sur la courbe fait apparaître deux isotopes, quels sont-ils ?
6- La courbe révèle également la famille des gaz nobles : néon (Z = 10), l’argon (Z = 18), le
krypton (Z = 36) et le xénon (Z= 54). Donner la structure électronique des trois premiers
éléments. Comment se caractérise la structure électronique d’un gaz noble ?
7- En déduire si l’atmosphère de Mars est respirable, et proposer le cas échéant une solution
permettant de la transformer pour la rendre respirable
Activité : Chlorure de magnésium
Le chlorure de magnésium est utilisé, entre autre, pour traiter les fibres de coton. C’est un
composé ionique.
1- Quels sont les deux éléments chimiques présents dans ce produit industriel ?
2- Le numéro atomique du chlore est Z = 17, et Z = 12 pour le magnésium. Donner la structure
électronique des atomes isolés.
3- La charge de l’ion magnésium est +2e, celle de l’ion chlorure est -e. Donner la structure de ces
deux ions. Quelle remarque peut-on faire ?
4- En déduire la formule du chlorure de magnésium.
5- Le chlore possède deux isotopes de nombres de nucléons A = 35 et A = 37. Donner la
représentation symbolique du noyau de ces isotopes.
6- Sachant que l’abondance relative de l’isotope 35 est : p1 = 70 % et celle de l’isotope 37 : p2 =
30 %, calculer la masse m de 105 atomes de chlore.
Activité de découverte : Les vents solaires
(…)Le phénomène qui se produit à la surface du Soleil et qu'il faut (...) surveiller, sont les éruptions
solaires. Ces émanations sont si importantes qu'elles peuvent avoir, dans certains cas, des
dimensions égales à la distance Terre-Lune (300000 kilomètres). Le Soleil « crache » alors
littéralement du feu et expulse une grande quantité de particules qui vont bombarder
l'environnement terrestre.(…)
Pour bien comprendre le phénomène des éruptions et surtout ses effets, il faut étudier les
émanations du Soleil en temps normal, c'est-à-dire ce qu'on appelle le vent solaire.(…)
Ce vent, qui se transforme parfois en tempête, se propage sur donc l'ensemble du système
solaire, et même au-delà, créant une bulle de gaz chaud et ionisé, ou plasma, autour du Soleil,
appelé héliosphère. Ce vent est constitué essentiellement de protons, d'électrons, de noyaux
d'hélium et d'une très faible quantité d'ions d'éléments plus lourds, tels que l'oxygène ou le
carbone. L'ensemble est éjecté à une vitesse supersonique. Les particules du vent solaire
conservent cette vitesse jusqu’à l’orbite terrestre avant de ralentir rapidement pour atteindre 400
km/h.
Adapté d’un article du Science & Vie N°860, Mai 89, page 16
Vu de la Terre, l’espace semble être un havre de paix. Or l’espace est loin d’être tranquille… En
protégeant notre planète, l’atmosphère et le champ magnétique terrestre nous épargnent
également les rigueurs d’un milieu dont nous ne soupçonnons pas la violence. Le Soleil déverse
en permanence autour de lui des flots de particules d’atomes (…) appelés vents solaires. (…)
La puissance du champ magnétique terrestre protège la Terre de ces tornades solaires et les
confine dans une zone tampon appelée magnétosphère. Telle une île au milieu d’un océan, elle
dévie ainsi le flot de particules solaires autour de la Terre.
Extrait d’un article du site internet du CNES
1- Quelles sont les particules du vent solaire ?
2- Le vent solaire est composé d’éléments chimiques essentiellement ioniques. Que signifie ce
terme ?
3- L’ion hydrogène, présent dans le vent solaire, est un atome d’hydrogène qui a perdu un
électron. Cet ion est-il un anion ou un cation ?
4- L’ion hélium, présent dans le vent solaire se note He2+. L’atome d’hélium se note He. Donnez
dans les deux cas leur structure électronique.
5- L’ion oxygène sur Terre a pour formule O2-, donner sa structure électronique. Que constatezvous ?
6- Le tableau suivant donne des exemples d’ions monoatomiques stables sur Terre. Compléterle, le résultat de la question précédente est-il confirmé ?
Elément
Z
Ion
Structure
électronique de
l’atome
Structure
électronique de
l’ion
He
2
/
Ne
10
/
Ar
18
/
Li
3
Li+
Be
4
Be2+
Na
11
Na+
Mg
12
Mg2+
F
9
F-
Cl
17
Cl-
S
16
S2-
18
1
Masse molaire atomique
-1
(g.mol )
Hydrogène
1
1,0
H
2
1
Lithium
2 6,9
Li
3
Sodium
11
Ca
Be
Potassium
19
Rubidium
5 85,5
Rb
37
Césium
132,9
Cs
55
12
Magnésium
Mg
20
Strontium
87,6
Scandium
45,0
Baryum
137,3
Ba
56
Titane
47,9
Sc
21
H
88,9
Y
39
Lanthane
138,9
La
57
5
Vanadium
50,9
Ti
22
Yttrium
Sr
38
4
3
12
Calcium
Br
Tc
Bore
10,8
1,2
Zirconium
91,2
Zr
40
Hafnium
178,5
Hf
72
V
23
Niobium
92,9
Nb
7
6
Chrome
52,0
Cr
24
Molybdène
95,9
Mo
Mn
1,8
101,1
98
Tc
180,9
186,2
Ta
W
74
Fe
26
Technétium
43
73
Fer
55,8
25
41
42
Tantale
Tungstène
183,9
8
Manganèse
54,9
Rhénium
Re
75
Ruthénium
Ru
Aluminium
9
Cobalt
58,7
10
Nickel
58,7
Co
27
102,9
Rh
45
Osmium
2,2
190,2
192,2
106,4
Pd
Pt
78
Zinc
107,9
Ag
Zn
Cadmium
112,4
Or
Au
Al
13
Gallium
Ga
31
Mercure
200,6
Ge
32
In
49
Etain
118,7
Sn
Thallium
Tl
81
Extrait de la classification périodique
Plomb
207,2
Pb
82
Soufre
32,1
Arsenic
74,9
As
Sélénium
79,0
Se
34
Antimoine
121,8
Sb
51
Bismuth
Bi
83
Cl
Polonium
210
Po
84
Ne
Brome
79,9
Br
Ar
Krypton
83,8
Kr
36
35
Iode
19,0
I
53
Astate
210
At
85
Argon
39,9
18
17
Te
52
209,0
Chlore
35,5
Tellure
127,6
Néon
20,2
10
S
16
33
50
204,4
Hg
80
Germanium
F
9
P
15
72,6
Indium
114,8
Phosphore
31,0
He
2
Fluor
19,0
O
8
Si
14
69,7
Cd
48
197,0
79
65,4
30
Argent
Platine
Ir
77
Cu
47
195,1
12
Cuivre
63,5
29
Palladium
46
Iridium
Os
Ni
28
Rhodium
11
Silicium
17
Oxygène
16,0
N
7
28,1
16
Azote
14,0
C
6
27,0
44
76
Carbone
12,0
B
5
15
14
13
Symbole
Solide Liquide Gaz Préparé par
synthèse
24,3
40,1
4 39,1 1,2
K Ca
6
Numéro atomique
Béryllium
Nom
Mg
9,0
4
3 23,0
Na
Hélium
Magnésium
24,3
4,0
Xénon
131,3
Xe
54
Radon
222
Rn
86