Alors, si tu veux maîtriser l'art d'équilibrer les équations nucléaires, lis ce qui suit !
- Tout d'abord, nous allons apprendre ce qu'est la notation nucléaire.
- Ensuite, nous découvrirons les différentes réactions de désintégration nucléaire.
- Ensuite, nous aborderons les règles d'écriture des équations nucléaires.
- Ensuite, nous apprendrons à équilibrerles équations nucléaires.
- Enfin, nous travaillerons sur l'équilibrage de quelques équations nucléaires pour tester ta compréhension.
Qu'est-ce qu'une notation nucléaire ?
Avant de nous plonger dans les réactions nucléaires, passons en revue la notation atomique standard, c'est-à-dire la façon dont les éléments sont représentés dans le tableau périodique.
Dans le tableau périodique, chaque élément est représenté par un symbole chimique unique. Par exemple, l'hydrogène porte le symbole chimique H, tandis que le sodium porte le symbole chimique Na. Le tableau périodique classe les éléments en fonction de leur numéro atomique.
Lenuméro atomique est le nombre de protons que contient le noyau d'un atome.
- Le nombre de protons est également égal au nombre d'électrons que possède l'atome lorsqu'il est chargé de façon neutre.
Cette disposition du tableau périodique basée sur le numéro atomique est illustrée dans la figure 1. Tu remarqueras que l'hydrogène a un numéro atomique de 1, l'hélium un numéro atomique de 2, et ainsi de suite.
Figure 1. Le tableau périodique des éléments
Outre le symbole chimique et le numéro atomique, chaque élément a également une masse atomique moyenne.
La masse atomique d'un élément est la masse moyenne de tous les isotopes moyens de cet élément.
- Lesisotopes sont des atomes ayant le même numéro atomique mais un nombre de masse différent en raison d'une quantité différente de neutrons dans le noyau.
Aujourd'hui, la chimie nucléaire utilise une notation spéciale pour décrire les particules nucléaires. Au lieu de la masse atomique, elle utilise le terme numéro de masse, qui correspond au nombre de protons plus les neutrons (figure 2). Le numéro atomique en bas, quant à lui, donne la charge de la particule nucléaire, mais correspondra généralement aussi au nombre de protons d'un isotope. Par exemple, la notation nucléaire de l'isotope le plus radioactif de l'uranium est \( ^{235}_{92} \text{U} \), ce qui signifie qu'il possède 92 protons et 143 neutrons (235 - 92 = 143 neutrons).
Figure 2. Notation en chimie nucléaire
Consulte la rubrique"Isotopes" pour continuer à en apprendre davantage à leur sujet !
Décroissance nucléaire et réactions nucléaires
La chimie nucléaire s'intéresse à ce qui se passe à l'intérieur du noyau d'un atome, où se trouve la majeure partie de sa masse. Mais quel est l'intérêt de la chimie nucléaire ? Au cours des réactions nucléaires, la masse est en fait convertie en grandes quantités d'énergie!
Lorsqu'il s'agit d'équations nucléaires, tu dois te familiariser avec certaines particules nucléaires importantes dotées de notations uniques. Il s'agit du proton, du neutron, des particules alpha, bêta, positron et gamma (tableau 1).
| Particule/Rayon | Symbole () | Masse (amu) | Charge |
| Proton | \( ^{1}_{1} \text{p} \) | 1.00728 | +1 |
| Neutron | \( ^{1}_{0} \text{n} \) | 1.00866 | 0 |
| Particule bêta | \( ^{0}_{-1}\beta \) ou \( ^{0}_{-1} \text{e} \) | 0.00015 | -1 |
| Positron | \N-( ^{0}_{1}\Nbeta \N) | 0.00015 | +1 |
| Particule alpha | \N( ^{4}_{2}\Nalpha \N) | 4.00151 | +2 |
| Rayon gamma | \N-( ^{0}_{0}\Ngamma \N) | 0 | 0 |
Tableau 1. Particules importantes en chimie nucléaire
Uneparticule de neutron ( \(^{1}_{0} \text{n} \) ) ne contient pas de charge, mais elle a un nombre de masse de 1. Une particule de proton ( \( ^{1}_{1} \text{p} \) ) a également un nombre de masse de 1, mais elle a aussi une charge de + 1.
Laparticule alpha ( \( ^{4}_{2}\alpha \) ) est l'équivalent d'un noyau d' hélium (ce n'est pas la même chose qu'un atome d'hélium car une particule alpha n'a pas d'électrons, seulement des protons et des neutrons). Les particules alpha ont également une charge +2.
Lesparticules bêta ( \( ^{0}_{-1}\bêta \) ) sont également connues sous le nom de particules d' électrons. Une particule β a un nombre de masse de 0 et une charge de - 1. Une particule positron ( \( ^{0}_{1}\beta \) ), en revanche, est appelée particule anti-électron car elle a le même nombre de masse qu'une particule d'électron, mais avec la charge opposée (+ 1). Lorsqu'un électron et une position se rencontrent (en d'autres termes, lorsque l'antimatière rencontre la matière), ils se "tuent" l'un l'autre et libèrent ainsi beaucoup d'énergie !
Un rayon gamma ( \( ^{0}_{0}\gamma \) ) n'est pas une particule et est appelé photon à haute énergie. C'est l'énergie électromagnétique qui est souvent associée au rayonnement nucléaire (rappelle-toi le spectre électromagnétique et les différents types de rayonnement électromagnétique qui existent !)
Ces particules/rayons nucléaires ont également unpouvoir de pénétration , et lerayon gamma est celui qui a le pouvoir de pénétration le plus élevé. C'est logique, car si tu penses à la radiothérapie, les rayons gamma ont un pouvoir de pénétration si fort qu'ils endommagent même les cellules saines !
Les particules alpha, en revanche, ont une taille plus importante et un pouvoir de pénétration à courte distance, c'est pourquoi elles sont parfois capables de tuer ou d'endommager les cellules tumorales sans affecter les tissus sains qui sont plus éloignés de la tumeur (thérapie par capture de neutrons).
Pour simplifier, plus la masse de la particule ou du rayon nucléaire est faible, plus son pouvoir de pénétration sera élevé.
Lorsqu'il s'agit de chimie nucléaire, n'oublie pas que nous nous concentrons sur le noyau (protons et neutrons). Il est donc préférable d'"oublier" les électrons et le nuage d'électrons lorsqu'il s'agit de chimie nucléaire ! Un autre terme important à connaître est celui de nucléon. Les nucléons se trouvent à l'intérieur du noyau et sont liés les uns aux autres par uneforce nucléaire puissante .
Lenucléon est le terme utilisé pour désigner les particules subatomiques vivant dans le noyau (protons et neutrons).
- Le nombre de masse peut également être désigné comme le nombre total de nucléons dans le noyau !
Maintenant, alors que la plupart des noyaux dans la nature sont considérés comme stables, les atomes contenant un noyau considéré comme radioactif seront instables et émettront spontanément des particules et des rayonnements électromagnétiques. C'est là qu'interviennent les réactions nucléaires ! Parlons donc de la désintégration nucléaire !
Tout élément après Pb (plomb) peut être considéré comme radioactif !
Ladésintégration nucléaire est la décomposition spontanée d'un noyau qui conduit à la formation d'un noyau différent.
La désintégrationnucléaire (ou désintégration radioactive) peut se produire par différentes voies telles que la désintégration alpha (\( \Nalpha \N)), la désintégration bêta (\Nbêta \N)), la désintégration des positrons ou la capture d'électrons.
Décroissance alpha
Ladésintégration alpha, également appelée émission alpha, a tendance à se produire avec les éléments plus lourds dont le numéro atomique est supérieur à 82. Au cours de la désintégration alpha, le résultat net est une réduction de la masse, l'émission d'une particule alpha ( \( ^{4}_{2}\alpha \) ) comme produit. Par exemple, \( ^{210}_{84}\text {Po}\) subirait une désintégration alpha entre il a un numéro atomique de 84.
$$ ^{210}_{84}\text{Po }\to ^{4}_{2}\alpha\text{ + }^{206}_{82}\text{Po } $$
Décroissance bêta
Ladésintégration bê ta (ou émission bêta) se produit lorsque la masse de l'isotope est supérieure à la masse indiquée dans le tableau périodique. Il en résulte l'émission d'une particule bêta. Par exemple, dans le tableau périodique, le thorium (Th) a une masse de 232,0. Donc, si nous avons un isotope du thorium avec une masse de 234, il subira très probablement une désintégration bêta.
$$ ^{234}_{90}\text{Th }\to ^{0}_{-1}\beta \text{ + }^{234}_{91}\text{Pa } $$
Capture d'électrons
Lacapture d'électrons est essentiellement une désintégration bêta à l'envers: au lieu d'émettre une particule β, elle absorbe une particule β. En termes d'ordre, la particule β se trouve du côté réactif de l'équation. La capture d'électrons peut se produire lorsque la masse de l'isotope est inférieure à la masse indiquée dans le tableau périodique. Par exemple, l'aluminium-26 subirait une capture d'électrons parce que sa masse est inférieure à la masse de Al dans le tableau périodique (26,98).
$$ ^{26}_{13}\text{ Al}+\text{ } ^{0}_{-1}\beta\to \text{ }^{26}_{12}\text{ Mg} $$
Émission de positrons
L'émission de positrons a également tendance à se produire dans les isotopes dont la masse est inférieure à celle du tableau périodique. Dans ce type de désintégration nucléaire, une particule de positron est émise comme produit.
$$ ^{26}_{13}\text{ Al }\to ^{0}_{1}\beta\text{ + }^{26}_{12}\text{ Mg } $$
Règles d'écriture des équations nucléaires
Lorsque tu écris des équations nucléaires, tu dois respecter certaines règles : tu dois toujours noter le type de désintégration nucléaire qui se produit et la particule nucléaire impliquée, et utiliser un tableau périodique pour déterminer le nouveau noyau formé après la réaction nucléaire.
Prenons un exemple.
Ecris l'équation nucléaire de la désintégration bêta de \(^{59}_{26}\text{ Fe}\).
Nous avons appris que la désintégration bêta implique l'émission d'une particule bêta comme produit. Nous nous attendons donc à ce qu'une particule bêta se trouve du côté du produit de l'équation nucléaire.
Si \ (^{59}_{26}\text{ Fe}\) émet une particule bêta ( \( ^{0}_{-1}\bêta \) ) comme produit, cela signifie qu'il perd cette particule bêta au cours de la réaction. Ainsi, après la réaction, le nombre au sommet (nombre de masse) restera le même parce qu'une particule bêta a un nombre de masse de 0. Cependant, comme la particule bêta a un numéro atomique de -1, cela signifie que le numéro atomique des nouveaux noyaux augmentera de 1.
$$ \text {Nombre de masse : 59 - 0 = 0 } $$ $$ \text {Numéro atomique : 26 + 1 = 27} $$
Maintenant que nous connaissons le numéro atomique du nouvel élément (27), regarde le tableau périodique. L'élément du tableau périodique dont le numéro atomique est 27 est le cobalt (Co).
Maintenant, nous pouvons écrire l'équation nucléaire comme suit :
$$ ^{59}_{26}\text{ Fe}\to ^{0}_{-1}\beta\text{ + }^{59}_{27}\text{ Mg } $$
Pour vérifier que c'est correct, il suffit de jeter un coup d'œil aux nombres pour voir s'ils sont les mêmes de chaque côté de l'équation. Remarque que, du côté du produit, la soustraction de 1 à 27 donne un numéro atomique de 26, qui est le même que le numéro atomique du côté du réactif.
Comment équilibrer les équations nucléaires
Savoir équilibrer les équations nucléaires est une compétence essentielle en chimie nucléaire. Prenons un exemple pour mieux comprendre. L'équation nucléaire ci-dessous montre une réaction nucléaire qui se produit dans un isotope de l'uranium. Cependant, remarque qu'il manque une particule, et c'est à toi de trouver de quelle particule il s'agit afin d'équilibrer cette équation !
$$ ^{238}_{92}\text{U }\to \text{ }^{234}_{90}\text{Th + ? } $$
Étape 1 : Équilibrer le nombre de masse des deux côtés de la réaction.
La première chose à faire est d'examiner le nombre de masse des deux côtés de la réaction. Du côté du réactif, nous avons un nombre de masse de 238, tandis que du côté du produit, nous avons un nombre de masse de 234. Cela signifie que pour équilibrer cette réaction, nous avons besoin d'une particule qui a un numéro de masse de 4. Pourquoi ? Parce que 234 + 4 = 238.
$$ ^{238}_{92}\text{U }\to \text{ }^{234}_{90}\text{Th + } ^{4}_{\square} \N- \N- \N- \N- \N- \N- \N- $$
Étape 2 : équilibre le numéro atomique (charge) des deux côtés de la réaction.
Maintenant, nous faisons la même chose pour le numéro atomique du bas. Puisque le numéro atomique passe de 92 du côté du réactif à 90 du côté du produit, cela signifie que notre particule nucléaire doit avoir un numéro atomique de 2.
$$ ^{238}_{92}\text{U }\to \text{ }^{234}_{90}\text{Th + } ^{4}_{2} \N-text {?} $$
Étape 3 : Prédis l'identité de la particule ou du rayon nucléaire manquant.
Maintenant que tu connais le nombre de masse et la charge de ta particule, nous pouvons prédire sans risque que la particule nécessaire pour équilibrer cette réaction nucléaire est une particule alpha!
$$ ^{238}_{92}\text{U }\to \text{ }^{234}_{90}\text{Th + } \color{#FA2373} ^{4}_{2} \alpha $$
Pratique de l'équilibrage des équations nucléaires
La meilleure façon d'apprendre l'art d'équilibrer les équations nucléaires est de s'exercer. Résolvons donc quelques problèmes similaires à ceux que tu pourrais rencontrer lors de ton examen de chimie.
Équilibre l'équation nucléaire ci-dessous et indique les types de réaction nucléaire qui se produisent.
$$ ^{214}_{83}\text{Bi }\text{+ } \text {?} \to \text{ }^{214}_{84}\text{Pb} $$
Pour équilibrer cette équation, nous pouvons utiliser les mêmes étapes que celles que nous venons d'apprendre. Tout d'abord, regarde les nombres de masse. Remarque que les deux éléments du côté du réactif et du produit ont le même nombre de masse (214). Par conséquent, notre particule manquante aura un numéro de masse de 0.
Ensuite, nous devons équilibrer les numéros atomiques. L'élément du côté du réactif a un numéro atomique de 83, tandis que l'élément du côté du produit a un numéro atomique de 84. Cela signifie que nous avons besoin d'une particule nucléaire avec un numéro atomique/une charge de + 1 car 83 + 1 = 84.
La particule nucléaire avec un numéro de masse de 0 et une charge de +1 est un positron!
$$ ^{214}_{83}\text{Bi }\text{+ } \color{#FA2373} ^{0}_{+1}\beta \color {blue}\to \text{ }^{214}_{84}\text{Pb} $$
Maintenant, j'espère que tu as confiance en ta capacité à équilibrer les équations nucléaires !
Équilibrer les équations nucléaires - Principaux points à retenir
- Les particules deproton, de neutron, d'alpha, de bêta, de positron et de rayon gamma sont des particules nucléaires importantes qui peuvent être impliquées dans la désintégration nucléaire.
- Pour réussir à équilibrer une équation nucléaire, nous devons nous assurer que le nombre de masse et le numéro atomique sont les mêmes des deux côtés de l'équation.
- L'équilibre des équations nucléaires peut nous aider à prédire le type de particule et de désintégration nucléaire qui se produit dans une réaction nucléaire.
Références
- Theodore Lawrence Brown, Eugene, H., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2018). Chimie : la science centrale (14e éd.). Pearson.
- Zumdahl, S. S., Zumdahl, S. A., & Decoste, D. J. (2019). Chemistry. Cengage Learning Asia Pte Ltd.
- N Saunders, Kat Day, Iain Brand, Claybourne, A., Scott, G., & Smithsonian Books (Éditeur. (2020). Supersimple chemistry : the ultimate bite-size study guide. Dk Publishing.
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