L'élément chimique
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• dire ce qu'est un élément chimique ;
• caractériser un élément par son numéro atomique Z et son symbole ;
• définir les isotopes d'un élément et en citer des exemples ;
• calculer la masse molaire d'un élément à partir de ses isotopes ;
• interpréter une suite de réactions chimiques par la conservation des éléments (cycles naturels du carbone et de l'azote).
Prérequis : nombre de charge Z, nombre de masse A, symbole AZX, ion monoatomique, équation d'une réaction chimique.
Situation de départ
Une casserole en cuivre rouge, les cristaux bleus de sulfate de cuivre utilisés pour traiter les vignes, une poudre noire d'oxyde de cuivre : ces trois corps ne se ressemblent pas du tout. Ont-ils quelque chose en commun ?
Autre énigme : l'« eau lourde » utilisée dans certaines centrales nucléaires a la même formule que l'eau ordinaire, H2O, mais une mole d'eau lourde est 10 % plus lourde. Comment est-ce possible ?
I. Notion d'élément chimique
1. Le test de la flamme
On présente à la flamme d'un bec Bunsen un fil de cuivre, une baguette de verre trempée dans une solution de sulfate de cuivre (II), puis une spatule contenant de l'oxyde de cuivre (II). Dans les trois cas, la flamme prend une couleur verte.
De même, le chlorure de sodium (sel de cuisine) et le sodium métallique colorent la flamme en jaune.
2. Interprétation
La même couleur verte montre que les trois corps ont quelque chose en commun : l'analyse chimique montre qu'ils contiennent tous du cuivre. Ce cuivre commun est appelé élément chimique cuivre.
• Dans le métal, l'élément cuivre existe sous forme d'atomes Cu.
• Dans le sulfate de cuivre (II) et dans l'oxyde de cuivre (II), il existe sous forme d'ions Cu2+ (associés aux ions oxyde O2- dans l'oxyde).
L'atome Cu et l'ion Cu2+ n'ont pas le même nombre d'électrons, mais ils ont le même noyau, donc le même nombre de charge Z = 29.
Un élément chimique est l'ensemble des atomes et des ions dont le noyau contient le même nombre de protons Z.
• Fe, Fe2+ et Fe3+ (Z = 26) correspondent à l'élément fer : on le trouve dans le fer métallique, l'oxyde de fer (III) Fe2O3 (la rouille), le sulfate de fer (II) FeSO4...
• Le diamant C, le dioxyde de carbone CO2, le glucose C6H12O6 et le calcaire CaCO3 contiennent tous l'élément carbone (Z = 6).
II. Caractérisation d'un élément chimique
1. Le numéro atomique Z
Qu'est-ce qui caractérise un élément ?
• Pas le nombre d'électrons : Cu en a 29, Cu2+ en a 27, et pourtant c'est le même élément.
• Pas le nombre de neutrons : dans un échantillon de cuivre, certains noyaux ont 34 neutrons, d'autres 36.
• Le nombre de protons, lui, est toujours le même : Z = 29 pour le cuivre, Z = 11 pour le sodium (Na et Na+).
Le nombre de charge Z suffit donc à caractériser un élément : on l'appelle aussi le numéro atomique de l'élément.
2. Le symbole
Un élément est représenté par le symbole de ses atomes : une lettre majuscule (H, C, N, O), éventuellement suivie d'une lettre minuscule (He, Cl, Fe). Ce symbole vient du nom français, latin ou grec de l'élément.
Quelques éléments
| Z | Élément | Symbole | Origine du symbole |
|---|---|---|---|
| 1 | hydrogène | H | |
| 2 | hélium | He | |
| 6 | carbone | C | |
| 7 | azote | N | nitrogenium (latin) |
| 8 | oxygène | O | |
| 11 | sodium | Na | natrium (latin) |
| 13 | aluminium | Al | |
| 16 | soufre | S | sulfur (latin) |
| 17 | chlore | Cl | |
| 19 | potassium | K | kalium (latin) |
| 26 | fer | Fe | ferrum (latin) |
| 29 | cuivre | Cu | cuprum (latin) |
| 47 | argent | Ag | argentum (latin) |
| 79 | or | Au | aurum (latin) |
Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z et représenté par son symbole. On connaît aujourd'hui 118 éléments ; les éléments naturels ont un numéro atomique au plus égal à 92 (uranium), les autres sont fabriqués par l'homme.
La deuxième lettre d'un symbole est toujours une minuscule : Co est le cobalt, alors que CO est la formule du monoxyde de carbone, formé de deux éléments !
III. Les isotopes
1. Qu'est-ce que l'eau lourde ?
Dans l'eau ordinaire, chaque atome d'hydrogène a un noyau formé d'un seul proton : 11H. Dans l'eau lourde, l'hydrogène est du deutérium 21H : son noyau contient un proton et un neutron. Le neutron ayant presque la même masse que le proton, la molécule d'eau lourde est plus lourde : sa masse molaire vaut 20 g.mol-1 au lieu de 18 g.mol-1.
Pourtant, ces deux atomes ont le même Z = 1 : ils appartiennent au même élément, l'hydrogène.
2. Définition
Les isotopes d'un élément sont des atomes dont les noyaux ont le même nombre de protons Z mais des nombres de neutrons différents, donc des nombres de masse A différents. On les nomme en ajoutant A au nom de l'élément : carbone 12, carbone 13, carbone 14.
Isotopes naturels de quelques éléments
| Élément | Isotopes | Proportions dans la nature |
|---|---|---|
| hydrogène | 11H ; 21H ; 31H | 99,985 % ; 0,015 % ; traces |
| carbone | 126C ; 136C ; 146C | 98,90 % ; 1,10 % ; traces |
| oxygène | 168O ; 178O ; 188O | 99,76 % ; 0,04 % ; 0,20 % |
| chlore | 3517Cl ; 3717Cl | 75,77 % ; 24,23 % |
| uranium | 23492U ; 23592U ; 23892U | 0,006 % ; 0,714 % ; 99,28 % |
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