Matière et matériaux : transformations physiques, chimiques et nucléaires

Les notions à connaître

Changement d'état et liaisons hydrogène

Pour l'eau, fondre ou vaporiser revient à ROMPRE des liaisons hydrogène entre molécules (il faut fournir de l'énergie) ; solidifier ou liquéfier revient à en ÉTABLIR (le système libère de l'énergie). Le diagramme d'état $(P, T)$ donne l'état final d'un corps pur selon la pression et la température. Exemple : sous $1013\ \text{hPa}$ l'eau bout à $100\ ^{\circ}\text{C}$, mais en altitude sous $700\ \text{hPa}$ elle bout vers $90\ ^{\circ}\text{C}$.

Énergies de chauffage et de changement d'état

Sans changement d'état, l'énergie échangée vaut $Q = m \times c \times \Delta\theta$ ($c$ : capacité thermique massique) ; pendant un changement d'état, la température reste constante et $Q = m \times L$ ($L$ : énergie massique de changement d'état). Exemple : faire fondre $2{,}0\ \text{kg}$ de glace à $0\ ^{\circ}\text{C}$ demande $Q = 2{,}0 \times 334 = 668\ \text{kJ}$.

Radioactivité naturelle et artificielle, rayonnements

Un noyau instable se désintègre spontanément (radioactivité naturelle : uranium, radon) ou après création artificielle du noyau en réacteur ou cyclotron (radioactivité artificielle : cobalt 60 médical). Trois rayonnements : $\alpha$ (noyau d'hélium $^{4}_{2}\text{He}$, arrêté par une feuille de papier), $\beta$ (électron ou positon, arrêté par quelques mm d'aluminium), $\gamma$ (photon très énergétique, atténué par plusieurs cm de plomb). Exemple : le radon 222, gaz naturel radioactif $\alpha$, est la première source d'exposition naturelle en France avec environ $1{,}4\ \text{mSv}$ par an en moyenne.

Activité et loi de décroissance radioactive

L'activité $A$ d'une source est le nombre de désintégrations par seconde, en becquerels ($1\ \text{Bq} = 1$ désintégration par seconde). Le nombre de noyaux suit $N(t) = N_0\,e^{-\lambda t}$ ; la demi-vie $t_{1/2} = \dfrac{\ln 2}{\lambda}$ est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux s'est désintégrée. Après $n$ demi-vies, il reste $\dfrac{N_0}{2^n}$. Exemple : pour le césium 137 ($t_{1/2} = 30\ \text{ans}$), après $90\ \text{ans}$ soit $3$ demi-vies, il reste $\dfrac{N_0}{8}$, soit $12{,}5\,\%$ des noyaux.

Fission, fusion et défaut de masse

La fission brise un noyau lourd (uranium 235) percuté par un neutron en deux noyaux plus légers ; la fusion soude deux noyaux légers (deutérium + tritium) en un noyau plus lourd. Dans les deux cas, la masse des produits est inférieure à celle des réactifs : le défaut de masse $\Delta m$ est libéré sous forme d'énergie $E = \Delta m \times c^2$. Exemple : $\Delta m = 3{,}0 \times 10^{-28}\ \text{kg}$ libère $E = 3{,}0 \times 10^{-28} \times (3{,}0 \times 10^8)^2 = 2{,}7 \times 10^{-11}\ \text{J}$ par réaction.

Bilan énergétique d'une combustion complète

La combustion complète d'un alcane, d'un alcène ou d'un alcool produit du dioxyde de carbone et de l'eau ; l'énergie libérée se calcule à partir du pouvoir calorifique : $E = m \times \text{PCI}$ (ou $E = n \times E_{\text{molaire}}$). Le bilan de matière donne la masse de $\text{CO}_2$ rejetée, enjeu du réchauffement climatique. Exemple : brûler $1{,}0\ \text{kg}$ de méthane ($\text{PCI} = 50\ \text{MJ}\cdot\text{kg}^{-1}$) libère $50\ \text{MJ}$ et rejette $\dfrac{1000}{16} \times 44 = 2750\ \text{g}$ soit $2{,}75\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$.

Oxydoréduction : piles, accumulateurs, pile à combustible

Un générateur électrochimique convertit l'énergie chimique d'une réaction d'oxydoréduction en énergie électrique : l'oxydation (perte d'électrons) a lieu au pôle négatif, la réduction (gain d'électrons) au pôle positif. Dans un accumulateur, les équations s'inversent entre charge et décharge (réversibilité) ; dans une pile à combustible, le dihydrogène est oxydé en continu : $2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$. Exemple : chaque mole de $\text{H}_2$ consommée libère $2$ moles d'électrons, soit une charge $Q = 2 \times 96\,500 = 1{,}93 \times 10^5\ \text{C}$.

Acides, bases et pH

Un acide est un donneur de proton $\text{H}^+$, une base un accepteur de proton (couple $acide/base).$ Le pH mesure l'acidité : $\text{pH} = -\log[\text{H}_3\text{O}^+]$, soit $[\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-\text{pH}}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. Diluer une solution acide fait monter son pH vers $7$ sans jamais le dépasser. Exemple : une solution avec $[\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-3}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ a un pH de $3$ ; diluée $100$ fois, son pH devient $5$.

Les erreurs à éviter en physique-chimie et mathématiques

• ✗ Croire que la température augmente pendant un changement d'état (« la glace qui fond se réchauffe »).

  ✓ Pendant TOUT le changement d'état d'un corps pur, la température reste constante : l'énergie fournie sert à rompre les liaisons ($Q = mL$), pas à chauffer.

• ✗ Écrire qu'après 2 demi-vies il ne reste plus rien $(2 \times$ 50 % = 100 % disparu).

  ✓ Chaque demi-vie divise par $2$ ce qui RESTE : après $2$ demi-vies il reste $\dfrac{N_0}{4}$, soit $25\,\%$ ; la décroissance est exponentielle, jamais linéaire.

• ✗ Confondre fission et fusion.

  ✓ FISSION : un noyau LOURD (uranium 235) se casse — centrales actuelles. FUSION : deux noyaux LÉGERS (deutérium, tritium) s'assemblent — Soleil et projet ITER.

• ✗ Utiliser $E = \Delta m \times c^2$ avec une masse en grammes.

  ✓ La masse doit être en kilogrammes pour obtenir des joules : $\Delta m = 0{,}20\ \text{g} = 2{,}0 \times 10^{-4}\ \text{kg}$ donne $E = 1{,}8 \times 10^{13}\ \text{J}$, pas $1{,}8 \times 10^{16}$.

• ✗ Penser qu'en diluant beaucoup un acide, le pH peut dépasser 7.

  ✓ La dilution fait tendre le pH vers $7$ (celui de l'eau) sans jamais le franchir : un acide dilué reste (très légèrement) acide.

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

1. Une solution aqueuse a une concentration en ions oxonium $[\text{H}_3\text{O}^+] = 1{,}0 \times 10^{-4}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. Quel est son pH ?
2. Quel rayonnement radioactif est le plus pénétrant ?
3. Comment appelle-t-on la réaction nucléaire dans laquelle deux noyaux légers s'assemblent pour former un noyau plus lourd ?
4. L'iode 131 a une demi-vie de $8$ jours. Quelle fraction des noyaux initiaux reste-t-il après $24$ jours ?
5. Quelle énergie faut-il fournir pour vaporiser $500\ \text{g}$ d'eau à $100\ ^{\circ}\text{C}$ ? Donnée : $L_v = 2{,}26 \times 10^3\ \text{kJ}\cdot\text{kg}^{-1}$.