Formation des éléments au sein des étoiles

Formation des éléments au sein des
étoiles
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: C He + He + He
12
6
4
2
4
2
4
2
→
• 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
56
Fe (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.
1- Décrire la composition des noyaux d’hydrogène et d’hélium.
2- Pourquoi l’hydrogène est-il le plus simple des éléments ?
3- Que signifie l’écriture He
4
2? En déduire la composition du noyau de carbone
C
12
6.
4- Pourquoi les éléments plus lourds sont synthétisés dans les étoiles ?
5- 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 XX
e
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
.
2
ACTIVITÉS

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 : m
nucléon
= 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
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
18
O), un moyen (noté
17
O) et
un léger (le plus fréquent, noté
16
O). On place sur le
même diagramme, les météorites et les roches
terrestres en fonction de leur composition en
18
O et
en
17
O. Si les échantillons analysés s'alignent sur
une même droite, cela indique que les roches sont
issues du même astre initial.
Par exemple, toutes les
roches terrestres sont sur
une même droite. La Lune
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.
1- Quel est le numéro atomique de l’oxygène ?
2- Donner la composition des noyaux des éléments
18
O,
17
O et
16
O ?
3- On dit que les éléments
18
O,
17
O et
16
O sont isotopes. Proposer une définition de l’isotopie.
4- 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 ?
Alignement des différentes météorites et des
échantillons terrestres et lunaires dans un
diagramme indiquant la composition en
18
O en
fonction de la composition en
17
O. δ d
ésigne une
abondance relative.
δ
δ

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 : p
1
= 70 % et celle de l’isotope 37 : p
2
=
30 %, calculer la masse m de 10
5
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 He
2+
. L’atome d’hélium se note He. Donnez
dans les deux cas leur structure électronique.
5- L’ion oxygène sur Terre a pour formule O
2-
, donner sa structure électronique. Que constatez-
vous ?
6- Le tableau suivant donne des exemples d’ions monoatomiques stables sur Terre. Compléter-
le, le résultat de la question précédente est-il confirmé ?

Elément
He Ne Ar Li Be Na Mg F Cl S
Z
2 10 18 3 4 11 12 9 17 16
Ion
/ / / Li
+
Be
2+
Na
+
Mg
2+
F
-
Cl
-
S
2
-
Structure
électronique de
l’atome
Structure
électronique de
l’ion
Extrait de la classification périodique
Potassium
39,1
K
19
Calcium
40,1
Ca
20
Scandium
45,0
Sc
21
Titane
47,9
Ti
22
Vanadium
50,9
V
23
Chrome
52,0
Cr
24
Manganèse
54,9
Mn
25
Fer
55,8
Fe
26
1,8
Cobalt
58,7
Co
27
Nickel
58,7
Ni
28
Cuivre
63,5
Cu
29
Zinc
65,4
Zn
30
Gallium
69,7
Ga
31
Germanium
72,6
Ge
32
Arsenic
74,9
As
33
Sélénium
79,0
Se
34
Brome
79,9
Br
35
Aluminium
27,0
Al
13
Silicium
28,1
Si
14
Phosphore
31,0
P
15
Soufre
32,1
S
16
Chlore
35,5
Cl
17
Bore
10,8
B
5
Carbone
12,0
C
6
Azote
14,0
N
7
Oxygène
16,0
O
8
Fluor
19,0
F
9
Sodium
23,0
Na
11
Magnésium
24,3
Mg
12
1,2
Lithium
6,9
Li
3
Béryllium
9,0
Be
4
Hydrogène
1,0
H
1
Rubidium
85,5
Rb
37
Strontium
87,6
Sr
38
Yttrium
88,9
Y
39
Zirconium
91,2
Zr
40
Niobium
92,9
Nb
41
Molybdène
95,9
Mo
42
Technétium
98
Tc
43
Ruthénium
101,1
Ru
44
2,2
Rhodium
102,9
Rh
45
Palladium
106,4
Pd
46
Argent
107,9
Ag
47
Cadmium
112,4
Cd
48
Indium
114,8
In
49
Etain
118,7
Sn
50
Antimoine
121,8
Sb
51
Tellure
127,6
Te
52
Iode
19,0
I
53
Césium
132,9
Cs
55
Baryum
137,3
Ba
56
Lanthane
138,9
La
57
Hafnium
178,5
Hf
72
Tantale
180,9
Ta
73
Tungstène
183,9
W
74
Rhénium
186,2
Re
75
Osmium
190,2
Os
76
Iridium
192,2
Ir
77
Platine
195,1
Pt
78
Or
197,0
Au
79
Mercure
200,6
Hg
80
Thallium
204,4
Tl
81
Plomb
207,2
Pb
82
Bismuth
209,0
Bi
83
Polonium
210
Po
84
Astate
210
At
85
Krypton
83,8
Kr
36
Argon
39,9
Ar
18
Néon
20,2
Ne
10
Xénon
131,3
Xe
54
Radon
222
Rn
86
Hélium
4,0
He
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
1
2
3
4
5
6
Magnésium
24,3
Mg
12
1,2
Symbole
Nom
Masse molaire atomique
(g.mol
-1
)
Numéro atomique
H
Gaz
Br
Liquide
Ca
Solide
Tc
Préparé par
synthèse