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\chapter{Les transformations de la matière}
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Après avoir décrit la matière en fonction de ses propriétés les plus diverses et variées, un nouveau domaine d'étude est là qui nous tend les bras, celui des transformations de la matière. Ces transformations peuvent être de deux sortes : des transformations physiques c'est à dire d'état physique, elles peuvent être nucléaires et concerner l'intérieur des atomes ou bien elles peuvent être chimiques et toucher à la fois l'état physique tout comme les liens entre atomes au sein des molécules.
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\section{Les transformations physiques (ou changements d'état)}
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\textbf{Les transformations physiques aux cycles 3 et 4 sont une transformation où un corps va seulement changer d'état physique. Lorsque la glace (eau pure) fond elle reste de l'eau pure, seul son état change de solide à liquide.} Les transformations physiques obéissent à des propriétés qui sont détaillées dans les paragraphes suivants.
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Les principales caractéristiques de ces changements d'état sont que le corps est chimiquement le même du début à la fin (ce sont les mêmes molécules, les mêmes atomes) et que ces transformations sont réversibles, il est possible de revenir à l'état du début (exemple eau solide $\rightarrow$ eau liquide $\rightarrow$ eau solide).
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\subsection{Les 6 transformations physiques}
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Les six transformations physiques sont celles de la liste suivante :
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\begin{itemize}
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\item La solidification
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\item La fusion
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\item La vaporisation
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\item La liquéfaction
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\item La sublimation
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\item La condensation\footnote{En S.V.T. -- et sauf mise à jour -- la liquéfaction et la condensation portent respectivement les noms de " condensation à l'état liquide " et " condensation à l'état solide ".}
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\end{itemize}
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\begin{figure}[H]
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\begin{center}
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\label{img-transfo-phys}
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\includegraphics[scale=0.5]{img-transfos-physiques.png}
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\caption{Diagramme des différentes transformations physiques et de leur sens.}
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\end{center}
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\end{figure}
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Le diagramme ci-avant vous donne les noms et les sens des 6 transformations de la matière les plus habituelles (notez cependant que la sublimation et la condensation ne sont pas si habituelles que ça). Attention à la condensation : elle n'a pas le même sens que celui qui est utilisé dans la vie quotidienne et qui correspondrait à une liquéfaction.
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\subsection{La conservation de la matière lors d'une transformation physique}
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\textbf{Lors d'une transformation physique la masse est conservée.}
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\begin{figure}[H]
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\begin{center}
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\label{exp-conserv-mass-transfo-phys}
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\includegraphics[scale=0.5]{exp-conserv-mass.png}
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\caption{Expérience montrant la conservation de la masse lors d'une transformation physique.}
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\end{center}
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\end{figure}
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Comme le montre l'expérience, les 103,0 g d'eau solide (glace) et du récipient deviennent après la fusion de cette glace 103,0 g d'eau liquide et de récipient. On peut aisément comprendre que le récipient n'a pas évolué (donc sa masse aussi), ce qui change c'est l'état physique de l'eau, mais sa masse elle est restée constante. Cela vérifiez bien la propriété citée avant l'image en gras.
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\subsection{La non-conservation du volume lors d'une transformation physique}
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\textbf{Lors d'une transformation physique le volume n'est pas conservé.}
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\begin{figure}[H]
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\begin{center}
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\label{exp-non-conserv-volum-transfo-phys}
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\includegraphics[scale=0.5]{exp-non-conserv-volume.png}
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\caption{Expérience montrant la non-conservation du volume lors d'une transformation physique.}
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\end{center}
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\end{figure}
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Dans l'expérience dessinée ci-avant le liquide (à gauche) a une surface libre bien horizontale (comme tout liquide dans un récipient) et monte à une certaine hauteur (donc a un volume bien défini), or, après solidification dans un congélateur la surface est bombée et monte plus haut que le liquide initial, cela signifie que le volume a augmenté (celui de l'eau devenue glace bien sûr, on suppose que le verre n'a été que très peu affecté). Comme le récipient est bien fermé du début à la fin (présence du bouchon) ce volume supplémentaire ne vient pas de l'extérieur du tube. Quant au tube, il est solide du début à la fin et n'a pas subit de transformation notable.
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\section{Les transformations chimiques}
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Dans les transformations chimiques le résultat de la transformation n'est plus de même nature que celui du début. Cela veut dire que l'on fabrique de nouvelles substances. Il y a un peu de vocabulaire à connaître et une loi qui régit le fonctionnement de ces réactions. Le lieu où se produit la transformation chimique est appelé le \textbf{milieu réactionnel}.
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\subsection{Un peu de vocabulaire}
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\paragraph*{Réactif} \label{reactif}
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Un réactif est une matière qui a été mise dans le milieu réactionnel au début de la transformation chimique. Cette matière va disparaître au fur et à mesure que la transformation dure. Si les quantités sont bien calculées il ne doit rester aucun réactif à la fin de la transformation.
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Exemple : dans la combustion du carbone \textit{C} dans le dioxygène $O_2$ donnant du dioxyde de carbone $CO_2$ après combustion à l'aide d'une flamme, les deux réactifs sont le carbone \textit{C} et le dioxygène $O_2$.
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\paragraph*{Produit de la transformation} \label{produit-transfo-chimiq}
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Un produit de la transformation est une substance qui apparaît au fur et à mesure que la transformation se déroule. C'est une substance qui est donc présente à la fin de la transformation.
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Exemple : dans la combustion du carbone \textit{C} dans le dioxygène $O_2$ donnant du dioxyde de carbone $CO_2$ après combustion à l'aide d'une flamme, le produit de la transformation est le dioxyde de carbone $CO_2$.
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\paragraph*{Bilan de la transformation} \label{bilan-transfo-chimiq}
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Un bilan de transformation est une façon d'écrire une transformation en la résumant à l'extrême. Cette notation très contractée est utile pour garder rapidement la trace d'une transformation. Par exemple au lieu d'écrire " Réactif\_ 1 " réagit avec " Réactif\_ 2 " en présence d'une flamme\footnote{flamme qu'on symbolisera par le symbole ${ \Delta }$.} pour donner les produits de la transformation " Produit\_ 1 " et " Produit\_ 2 " sera écrit le bilan :
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\begin{equation*}
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\begin{split}
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Reactif\ 1 + Reactif\ 2 & \longrightarrow Produit\ 1 + Produit\ 2 \\
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& \ \ \Delta
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\end{split}
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\end{equation*}
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Par exemple : au lieu d'écrire : La combustion du carbone dans le dioxygène donne à l'aide d'une flamme du dioxyde de carbone :
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\begin{equation*}
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\begin{split}
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Carbone + Dioxygene & \longrightarrow Dioxyde\ de\ Carbone \\
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& \ \ \Delta
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\end{split}
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\end{equation*}
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La flèche placée au milieu du bilan et plus tard au milieux d'une équation de transformation chimique a un rôle important, car elle donne le sens de la transformation, de quoi on part et vers quoi on arrive. Pour le moment ces flèches sont unidirectionnelles, plus tard vous verrez autre chose.
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\paragraph*{Équation de la transformation} \label{equation-transfo-chimiq}
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Une équation de la transformation est presque la même chose qu'un bilan de transformation à 2 points près : on utilise uniquement des formules et symboles chimiques ET il y a des nombres présents ajoutés devant les formules et symboles afin de valider la loi de Lavoisier\ref{Loi-Lavoisier}.
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\subsection{La conservation de la matière, loi de Lavoisier et proportionnalités}
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\paragraph*{Une propriété des transformations chimiques : Il y a la proportionnalité des masses et des volumes lors d'une transformation chimique.}
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Que faire si on a une recette de gâteau pour 4 personnes et qu'on désire faire un gâteau pour 8 ? On multiplie tous les ingrédients par 2 ! Et bien ce constat est valable aussi en chimie où il y a proportionnalité pour les masses et les volumes dans une transformation chimique (la flamme n'a pas été représentée) :
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\begin{tabular}{l l l l l}
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carbone & + & dioxygène & ${\longrightarrow}$ & dioxyde de carbone \\
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12 g & & 32 g & & 44 g \\
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3 g & & ${ \dfrac{{32} \times {3}}{12} = {8 g} }$ & & ${ \dfrac{{44} \times {3}}{12} = {11 g} }$ \\
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\end{tabular}
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Dans la réaction connue (ligne 2) : on sait qu'il faut 12 g pour 32 g et cela donne 44 g, si au lieu de 12 nous avons 3 g (il faut tout diviser par 4) : 32 donnera 8, 44 donnera 11. Tout est proportionnel. \textit{Notez que cela fonctionne aussi avec les volumes !}
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\paragraph*{Autre propriété de la matière lors d'une tranformation chimique : la conservation de la masse ou "Loi de Lavoisier"}\footnote{Antoine Laurent de Lavoisier (1743 - 1794) fût entre autre un chimiste français qui a créé les bases de la chimie moderne basée sur l'observation précise et les mesures, utilisant aussi les mathématiques. Il a joué des rôles politiques, économiques et scientifiques \textit{mathématiques, biologie, physique et chimie}. L'une de ses plus notables découvertes a été l'étude des oxydations métalliques ce qui l'a conduit à comprendre que l'air n'était pas un corps pur mais qu'il était formé d'un gaz (qu'il n'appelait pas encore dioxygène) jouait aussi un rôle dans la respiration. Il fût décapité en mai 1794 suite à une décision de justice où le juge aurait affirmé "La République n’a pas besoin de savants, ni de chimistes ; le cours de la justice ne peut être suspendu." lorsque Lavoisier aurait demandé un sursis le temps de finir une expérience. Le lendemain de sa mort, Lagrange \textit{(grand mathématicien français)} aurait dit : "Il ne leur a fallu qu'un moment pour faire tomber cette tête et cent années, peut-être, ne suffiront pas pour en reproduire une semblable."} \label{loi-lavoisier}
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\begin{quotation}
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\textbf{Lors d'une transformation chimique l'addition des masses des réactifs est égale à l'addition des masses des produits de la transformation.} Cela induira la 2\ieme{} version de cette loi (avec les atomes et molécules) \\
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\textbf{Lors d'une transformation chimique les atomes de chaque élément chimiques sont conservés entre le début et la fin de la transformation.}
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\end{quotation}
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Cependant il existe un 3\ieme{} énoncé plus connu historiquement et adapté d'une phrase du philosophe grec Anaxagore : \textbf{Dans une transformation chimique rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme.}
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\subsection{Une catégorie de transformations chimiques particulière : la combustion } \label{combustion}
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Une combustion est une transformation chimique où un carburant\footnote{Un carburant est une matière qui brûle.} va brûler avec un comburant\footnote{Un comburant est une substance qui aide à faire brûler, typiquement du dioxygène ${{O}_{2}}$.} s'il y a une flamme ou une source de chaleur pour démarrer la combustion. Les pompiers utilisent l'image du triangle de feu donc chaque sommet du triangle représente un de ces 3 acteurs. Si quelque part ces 3 sont réunis, le triangle est complet, un incendie (donc une combustion) existera tôt ou tard. Les réactions de combustion peuvent être effectuées avec toutes sortes de substances, solides, liquides ou gazeuses.
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\begin{figure}[H]
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\begin{center}
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\label{trangle-feu}
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\includegraphics[scale=0.5]{img-triangle-feu.png}
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\caption{ Image du triangle de feu. }
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\end{center}
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\end{figure}
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Si le dioxygène est présent en quantité suffisante, alors la combustion sera complète et s'arrêtera quand il n'y aura plus rien à brûler, s'il n'y a pas assez d'oxygène il restera un peu de carburant et les produits de la transformation seront différents. Par contre il est possible de calculer les quantités exactes de l'un et de l'autre pour tout brûler sans laisser de restes, la réaction sera alors complète. Toute les combustions émettent de la chaleur (vulgairement : elles chauffent) c'est pour ça qu'elles sont dites \underline{exothermiques.}\footnote{Exothermique : envoie de la chaleur vers l'extérieur.} Dans les bilans et équations il est d'usage d'ajouter un triangle ou le mot "flamme" en dessous des flèches indiquant le sens de la transformation, je ne l'ai pas fait (pour l'instant) dans certains bilans et équations qui vont suivre.
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\textbf{Il faut faire très attention aux combustions}, les combustions des gaz peuvent être très dangereuses car dans les proportions parfaites un gaz explosera car le dégagement d'énergie provoquera une surpression énorme et très rapide. Les combustions des liquides ou des solides peuvent produire des gaz toxiques ou des fumées. (voir \ref{gaz-fumee-vapeur}) En général on va admettre deux genres de combustions : la combustion complète où tout est fourni dans les conditions suffisantes pour tout brûler entièrement, la flamme aura une couleur spéciale, ou la combustion incomplète où la quantité de dioxygène n'est pas suffisante et la matière brûle peu ou mal.
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À la fin du cycle 4 vous avez à connaître quelques combustions :
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\paragraph{La combustion du carbone \textit{C}} \label{combustion-carbone}
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Elle est donnée par la transformation dont le bilan est : \linebreak " carbone + dioxygène ${\rightarrow}$ dioxyde de carbone " cela donne l'équation suivante (qui obéit à la loi de Lavoisier) : ${{C} + {O}_{2} \rightarrow {CO}_{2}}$. La combustion est complète et fabrique du dioxyde de carbone.
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Preuve que la loi de Lavoisier est bien respectée, car il y a 1 atome de carbone de part et d'autre de la flèche et 2 atomes d'oxygène aussi de part et d'autre :
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\begin{table}[H]
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\label{equilibrage-combustion-1}
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\begin{tabular}{m{9em} | m{9em} m{9em} m{9em}}
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Élément chimique & nombre d'atomes avant & le plus grand nombre (voir \ref{entropie-chimie} ) & nombre d'atomes après \\
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\hline
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carbone (C) & 1 & = 1 = & 1 \\
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oxygène (O) & 2 & = 2 = & 2 \\
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\end{tabular}
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\caption{Équilibrage de la combustion du carbone}
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\end{table}
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\paragraph{Les combustions du méthane ${{CH}_{4}}$}
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Le méthane est le gaz issu du pétrole le plus léger et le plus simple. Sa formule chimique est ${{CH}_{4}}$ cela signifie qu'il contient 1 atome de carbone et 4 atomes d'hydrogène, il peut brûler de façon complète ou incomplète.
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\begin{flushleft}
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\underline{En combustion complète} le méthane va produire de la vapeur d'eau ${{H}_{2}{O}}$ et du dioxyde de carbone ${{CO}_{2}}$. On obtient alors le bilan suivant : \linebreak méthane + dioxygène ${{\rightarrow}}$ dioxyde de carbone + eau \linebreak l'équation de la transformation est : ${{CH}_{4} + {2}\space{O}_{2} \rightarrow {CO}_{2} + {2}\space{H}_{2}{O}}$
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\end{flushleft}
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Vérifions si la loi de Lavoisier est respectée :
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\begin{table}[H]
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\label{equilibrage-combustion-2}
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\begin{tabular}{m{9em} | m{9em} m{9em} m{9em}}
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Élément chimique & nombre d'atomes avant & le plus grand nombre (voir \ref{entropie-chimie} ) & nombre d'atomes après \\
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\hline
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carbone (C) & 1 & = 1 = & 1 \\
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hydrogène (H) & 4 & = 4 = & 2 \ensuremath{\times} 2 \\
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oxygène (O) & 2 \ensuremath{\times} 2 & = 4 = & 2 + 2 \ensuremath{\times} 1 \\
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\end{tabular}
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\caption{Équilibrage de la combustion du méthane}
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\end{table}
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On obtient bien dans le tableau précédent le même nombre d'atomes de part et d'autre de la flèche (donc avant et après la transformation chimique).
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Dans l'autre situation la combustion sera incomplète, la faible quantité de dioxygène empêche la formation de dioxyde de carbone, \textbf{il sera formé du monoxyde de carbone \textit{CO} et de la fumée de carbone \textit{C} (suie) et bien sûr de l'eau.} Parfois il y aura un peu de dioxyde de carbone car très localement il y aura eu une toute petite zone où il y aura eu assez de dioxygène.
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\begin{equation}
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\left \{
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\begin{split}
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{CH}_{4} + {O}_{2} & \longrightarrow C + {2} \ {H}_{2}{O} \\
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{2} \ {CH}_{4} + 3 \ {O}_{2} & \longrightarrow 2 \ {CO} + 4 \ {H}_{2}{O} \\
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\end{split}
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\right \}
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\end{equation}
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\paragraph*{Remarque sur les deux tableaux précédents} \label{entropie-chimie}
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Dans les deux tableaux précédents l'une des colonnes indique le plus grand nombre d'atomes, il y a une explication logique à cela : Plus vous mettez d'atomes ou de molécules au contacts d'autres, plus la chance que quelque chose se passe augmente (c'est un peu comme une foule : plus il y a de gens, plus il y a de chances que quelque chose arrive voire plusieurs choses). Aussi on recherche des coefficients qui multiplient les atomes (et non les divisent).
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\subsection{Encore un type de transformation chimique : les transformations acidobasiques}
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Une transformation acidobasique (pour abréger une réaction A/B) est une transformation chimique entre un corps appelé acide\footnote{On utilise ici la notion d'acidité au sens de Br\o nsted et non au sens de Lewis. Dans cette définition un acide est une molécule de type A-H qui peut facilement se séparer d'un proton (le noyau de l'atome de H) tout en gardant l'électron excédentaire, ainsi on aura $ A-H + eau \longrightarrow A^- + H^+ $} et un autre corps appelé base\footnote{une base est une substance dite basique, non car elle est simple mais parce qu'une base est acidobasiquement le contraire d'un acide. Attention cependant, si elle est concentrée, une base est très corrosive}. Dans ces réactions il y a échange d'ion ${{H}^{+}_{\ aqueux}}$ entre ces deux corps. Si l'acide et la base sont dits " forts " alors la transformation est totale et irréversible c'est à dire qu'elle se fait dans un seul sens. L'équation de transformation typique étudiée entre de l'acide chlorhydrique HCl et de l'hydroxyde de sodium (communément appelé soude ou soude caustique\footnote{La soude caustique ou Hydroxyde de sodium ou Lessive de Soude (si liquide très concentré) libère en solution l'ion sodium $Na^+$ et l'ion hydroxyde $HO^-$}) NaHO est :
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\begin{equation}
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\begin{split}
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{HCl} + {NaOH} & \longrightarrow {H}_{2}{O} + {NaCl} \\
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\\
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( {H}^{+} + {Cl}^{-} ) + {Na}^{+} + {HO}^{-} & \longrightarrow {H}_{2}{O} + ( {Na}^{+} + {Cl}^{-} )
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\end{split}
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\end{equation}
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La première équation est l'équation avec les corps, la seconde présente les ions en détail. Notez que \textbf{cette transformation est exothermique, et si les substances sont très concentrées elle peut être violente.} Certains des ions ici apparaissent des deux côtés de la flèche, ils ne participent pas à la transformation chimique mais sont là pour équilibrer les charges électriques positives et négatives). Ces ions spéciaux sont appelés ions spectateurs\footnote{Un ion spectateur est un ion présent dans une solution ionique mais qui ne participe pas à une transformation chimique. Son rôle est d'assurer l'électroneutralité du mélange de solutions ioniques par sa présence.}. \label{ion-spectateur}
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Vous avez remarqué car vous avez l'oeil aguerri que l'ion $HO^-$ et l'ion $H^+$ se sont réunis pour former la molécule d'eau par la réaction suivante :
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\begin{equation}
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{H}^{+} + {OH}^{-} \longrightarrow {H}_{2}{O}
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\end{equation}
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\begin{quote}
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\textit{Note : Dans les armoire de laboratoire et pour des mesures de sécurité les acides et les bases telle que la soude sont conservés dans des armoires différentes si possible, sinon dans des étagères différentes et les récipients sont eux même posés dans des bacs afin de récupérer toute substance qui pourrait suinter des récipients.}
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\end{quote}
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\subsection{Les transformations d'oxydoréduction} \label{oxydoreduction}
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\subsubsection{L'oxydation d'un métal par le dioxygène} \label{oxydation-o2}
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\textbf{Les transformations ou réactions d'oxydoréduction sont les réactions entre une substance appelée " oxydant " et une substance appelée " réducteur ". L'oxydant attaque le réducteur et l'oxyde. Cela se traduit par un produit de la transformation plus lourd (car plus oxygéné).} Au cycle 4 du collège la réaction d'oxydoréduction le plus souvent étudiée est l'oxydation d'un métal par le dioxygène de l'air, cette oxydation ayant pu être accélérée \emph{Le terme exact est catalysée}\footnote{Un catalyseur est une substance (solide ou liquide la plupart du temps) qui permet d'accélérer une transformation chimique en abaissant la quantité d'énergie nécessaire à son fonctionnement. Cela se traduit généralement par la fabrication d'une réaction intermédiaire avec des substances intermédiaire dont il ne reste aucune trace à la fin, le catalyseur est récupéré intégralement au final sans altération.} par la présence d'eau salée.
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Ont été vues en documents ou en expérience les oxydations du cuivre avec la formation du vert-de-gris (statue de la Liberté, dôme de la gare des bénédictins de Limoges, ...\footnote{C'est en réalité un oxyde qui forme un complexe avec diverses molécules de l'air ambiant, sa formule n'a pas d'intérêt ici, pour plus de détails la page wikipedia consacrée à l'oxyde de cuivre https://fr.wikipedia.org/wiki/Vert-de-gris vous donnera plus d'informations.}), la formation de la rouille (oxyde de fer III ${{Fe}_{2}{O}_{3}}$ couleur orange\footnote{L'oxyde ferrique ou oxyde de fer III ou plus communément "rouille" a une particularité détestable : il est poreux et laisse le dioxygène pénétrer plus profondément dans le métal, aussi cet oxyde est destructeur comparé aux autres qui altèrent la surface du métal produisant un oxyde protecteur et étanche.} ), la formation de l'alumine (oxyde d'aluminium ${{Al}_{2}{O}_{3}}$).
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En classe vous avez étudié la transformation schématisée ci-après :
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\begin{equation*}
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{2} \ {Fe} + {3} \ {O}_{2} \longrightarrow {2} \ {Fe}_{2}{O}_{3}
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\end{equation*}
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\begin{figure}[H]
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\begin{center}
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\label{exp-oxyd-fer-o2}
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\includegraphics[scale=0.5]{exp-oxyd-fer-o2.png}
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\caption{La transformation d'oxydation du fer par le dioxygène de l'air et sa catalyse par présence de chlorure de sodium.}
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\end{center}
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\end{figure}
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Dans cette transformation un des tubes contenait de l'air composé de 21 \% de $O_2$ et de 79 \% de $N_2$ (1 L) et l'autre contenait du dioxygène pur (1 L). La quantité de laine de fer introduite au début ayant été suffisante les transformations se sont arrêtées lorsque tout le dioxygène avait été utilisé, faisant monter l'eau dans le tube par aspiration, dans le premier cas le volume d'eau est monté de 210 mL (ce qui correspond bien aux 21 \% de dioxygène dans l'air) et dans l'autre cas le volume est monté jusqu'en haut (le dioxygène étant pur il représentait 100 \% du volume de l'éprouvette graduée).
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\subsubsection{Oxydation par un acide : Cas de l'attaque du fer par l'acide chlorhydrique}
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Cette fois-ci ce n'est pas l'oxygène (lentement) qui va attaquer le métal fer (ou de l'acier car c'est plus facile à obtenir) mais de l'acide chlorhydrique (formule ${HCl}$). L'attaque est (quasi)instantanée\footnote{Parfois un délais est nécessaire car si le fer a déjà été oxydé il faut que l'acide traverse la rouille pour commencer à attaquer le métal sain. De plus, s'il s'agit d'une plaque de fer et non de la laine de fer on a aussi un délais.} La réaction qui se produit est :
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\begin{equation*}
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\begin{split}
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{Fe} + {2}\ {HCl} & \longrightarrow {FeCl}_{2} + {H}_{2} \\
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ce\ qui\ & donne\ aussi \\
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{Fe} + {2}\ ( {H}^{+} + {Cl}^{-} ) & \longrightarrow ( {Fe}^{2+} ; {2}\ {Cl}^{-} ) + {H}_{2} \\
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aussi\ sous\ & cette\ forme : \\
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{Fe} + {2}\ {H}^{+} & \longrightarrow {Fe}^{2+} + {H}_{2} \\
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\end{split}
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\end{equation*}
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\section{Les transformations nucléaires}
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Les transformations nucléaires sont une nouveauté de la réforme de 2015. Avec cela on touche à une des plus récentes transformations de la matière étudiée par l'humain. Son énergie est incroyable, sa dangerosité aussi. Cette énergie pose beaucoup de questions quant à son utilisation et est le siège de nombreux enjeux politiques et écologiques. Nous en resterons au cadre strictement scientifique : comprendre ce que c'est, comment cela fonctionne. La liberté de chacun·e d'entre vous sera ensuite, une fois éclairé·e·s sur la nature de ces transformations d'aller plus loin ou pas.
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Ces transformations peuvent être qualifiées de physiques car elles ne font pas intervenir de substances chimiques stables au début (donc elles ne sont pas chimiques), cependant je les ai dé
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Il existe deux sortes de transformations nucléaires vues au cycle 4 :
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\begin{itemize}
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\item Les transformations de fusion nucléaire
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\item Les transformations de fission nucléaire
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\end{itemize}
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\subsubsection{La réaction de fusion nucléaire} \label{fusion-nucleaire}
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Une réaction de fusion nucléaire\footnote{on dit aussi bien fusion nucléaire que fusion chaude ou encore réaction thermonucléaire.} utilise des atomes légers, propulsés à grande vitesse pour obtenir une grande énergie (en l'aidant avec une pression gigantesque et une température démentielle). Ces atomes légers et rapides sont envoyés les uns contre les autres afin qu'ils s'explosent (littéralement) ensemble et qu'ils forment un noyau\footnote{Dans le cas des réactions thermonucléaires la température est si élevée, supérieure à 2 millions de degrés celsius que les atomes sont impossibles à former, comme peu après la naissance de l'univers, aussi j'ai tendance à utiliser le mot "noyau". Si ce terme vous gène ici, barrez le pour utiliser le terme "atome".} plus lourd. Cette union fait que le noyau final est plus léger que l'addition des deux autres, la différence de masse est transformée en énergie (la célèbre équation d'Einstein ${{E}={m} \times {c}^{2}}$), cette énergie peut être réellement énorme.
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Où trouve-t-on ce genre de réaction ? Dans les accélérateurs de particules pour les étudier, dans certaines armes (bombes H ou bombes thermonucléaires) et dans les étoiles (dont notre soleil). Dans notre soleil les réactions se font à partir d'atomes d'hydrogène (H)\footnote{L'atome d'hydrogène représente 73,9 \% des atomes de l'univers, c'est l'élément chimique le plus abondant, le 2e est l'hélium (He) avec 24 \%, le 3e est l'oxygène (O) avec 1 \%, le 4e est le carbone (C) avec 0,5 \% ... voir ici : \url{https://fr.wikipedia.org/wiki/Abondance_des_\%C3\%A9l\%C3\%A9ments_chimiques} } pour former de l'hélium (He). Voici quelques-une des possibilités des réactions :
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\begin{equation}
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\label{Fusion_soleil}
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\begin{split}
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^{1}_{1}{H} + ^{1}_{1}{H} & \longrightarrow ^{2}_{1}{H} + ^{0}_{1}{e}^{+} + ^{0}_{0}{\nu} \\
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^{2}_{1}{H} + ^{1}_{1}{H} & \longrightarrow ^{3}_{2}{He} + \gamma \\
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^{3}_{2}{He} + ^{3}_{2}{He} & \longrightarrow ^{4}_{2}{He} + {2} \times ^{1}_{1}{H}
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\end{split}
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\end{equation}
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Comme vous le voyez dans ces 3 équations, on part d'atomes d'hydrogène léger ${ ^{1}_{1}{H} }$ pour former au final un nouvel atome d'hélium ${^{2}_{1}{He}}$ qui est plus lourd, au passage de l'énergie est libérée ${ \gamma }$ sous forme de rayonnement électromagnétique. Au final le soleil fabrique (et envoie un peu dans l'espace) des noyaux d'hélium (aussi appelé radioactivité ${ \alpha) }$ qui parfois captés par les pôles magnétiques de la magnétosphère terrestre formant les aurores boréales et australes.
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\subsubsection{La réaction de fission nucléaire} \label{fission-nucleaire}
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La réaction (ou transformation) de fission nucléaire est une transformation où un noyau lourd et instable se brise en morceaux (noyau souvent placé en bas de la classification périodique de mendeleiev). Ce type de réaction se trouve dans les bombes A (A comme atomiques) telles que celle lancée sur Hiroshima le 6 août 1945, mais aussi dans les réacteurs des centrales nucléaires (filière à eau pressurisée) utilisés en France (hormis quelques réacteurs expérimentaux tels que phénix et super-phénix et le futur réacteur dit "EPR" de Flamanville en Normandie). La France possède (en juin 2018) 58 réacteurs nucléaires en fonctionnement répartis sur 19 sites actifs fournissant environ 75\% de l'énergie électrique consommée dans le pays, le carburant utilisé est de l'uranium (voir le MOx à chercher ultérieurement).
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Lorsque par impact d'un neutron accéléré sur un noyau d'uranium 235 ${^{235}_{92}{U}}$ un noyau instable d'uranium 236 se forme, dans 16 \% des cas le noyau restera stable, mais dans 84 \% des cas on aura cette réaction qui fabrique des atomes de Strontium (Sr) et de Xénon (Xe) avec production de 2 neutrons (${^{1}_{0}{n}}$) du rayonnement électromagnétique (\ensuremath{\gamma}) (autrement dit de la lumière invisible très énergétique) :
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\begin{equation}
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\label{Fission_Xenon}
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\begin{split}
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{235}_{92}U + ^{1}_{0}n & \longrightarrow ^{236}_{92}U^{*} \\
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^{236}_{92}U^{*} & \longrightarrow ^{94}_{38}Sr + ^{140}_{54}Xe + {2}^{1}_{0}n + \gamma
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\end{split}
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\end{equation}
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ou bien cette autre réaction qui fabrique des atomes de Krypton (Kr) et de Baryum (Ba) et 3 neutrons (${^{1}_{0}{n}}$) :
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\begin{equation}
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\label{Fission_Baryum}
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\begin{split}
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{235}_{92}U + ^{1}_{0}n & \longrightarrow ^{236}_{92}U^{*} \\
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^{236}_{92}U^{*} & \longrightarrow ^{92}_{36}Kr + ^{141}_{56}Ba + {3}^{1}_{0}n
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\end{split}
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\end{equation}
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Notez qu'une très faible fraction de transformations nucléaires ne produira pas ces deux équations et donc ces 4 déchets mais produira du plutonium ${^{239}_{94}{Pu}}$. Ce plutonium servant à fabriquer des bombes thermonucléaires. En effet dans l'uranium enrichi servant de carburant aux centrales nucléaires on trouve du plutonium 238 qui est peu radioactif mais qui va capturer certains neutrons issus de la fission de l'uranium 235 et se transformer en plutonium 239 ${^{239}_{94}{Pu}}$.
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Toutes les personnes habitant à une distance maximale de 10 km près d'un lieu où le nucléaire est utilisé (ou stocké ?) se voit régulièrement avertie sur l'absorption de pastilles d'iode (plus précisément du Iodure de Potassium KI) en cas d'accident nucléaire. L'iode peut effectivement être fabriqué lors des transformations nucléaires d'un réacteur et il représente l'un des ions absorbés par un organe appelé thyroïde qui est présent dans notre cou. Absorber de l'Iode va saturer la thyroïde et ainsi l'Iode radioactif provenant de l'incident nucléaire ne prendra pas la place de celui déjà présent. Cependant : Cet iode sera vite éliminé, donc il faut prendre des pastilles régulièrement ET il n'y a pas que de l'iode qui soit fabriqué dans ces cas là, vous trouvez également du Césium, du Baryum, etc... La réaction avec production d'iode est :
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\begin{equation}
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\label{Fission-Baryum}
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\begin{split}
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{235}_{92}U + ^{1}_{0}n & \longrightarrow ^{236}_{92}U^{*} \\
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^{236}_{92}U^{*} & \longrightarrow ^{95}_{39}Y + ^{139}_{53}I + {2}^{1}_{0}n + ?
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\end{split}
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\end{equation}
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\textit{Note : Dans les équations précédentes le symbole " * " indique que l'atome est instable}
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\subsubsection{Le phénomène de radioactivité naturelle} \label{radioactivite-naturelle}
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Dans la nature on trouve des minerais dégageant naturellement du rayonnement électromagnétique (rayonnement $\gamma$) ou des électrons ou des noyaux d'hélium. Ce phénomène est de la radioactivité naturelle et ces objets sont dits " radioactifs ". Lorsqu'ils sont actifs, une réaction de fission nucléaire se produira.
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De nombreux éléments chimiques ont cette particularité car dans un même élément chimique il peut y avoir des isotopes\footnote{Un isotope est un atome ayant le même nombre de protons que l'élément auquel il appartient mais ayant un nombre différent de neutrons. Par exemple : Le carbone stable ${^{12}_{6}{C}}$ possède 6 protons et 12-6 = 6 neutrons, il n'est pas radioactif, mais le carbone 14, ${^{14}_{6}{C}}$ qui lui possède 6 protons et 14-6 = 8 neutrons est quant à lui radioactif.} différents.
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\begin{figure}[H]
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\begin{center}
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%\label{}
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\includegraphics[scale=0.5]{uranium-element.png}
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\caption{L'élément uranium, un élément radioactif naturel.}
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\end{center}
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\end{figure}
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Dans chaque substance pure composée d'un seul élément il y a une proportion d'atomes radioactifs. Cette proportion est optimale tant que l'objet échange des atomes avec d'autres, mais, une fois l'objet " mort " (c'est à dire n'échangeant plus d'atomes pour simplifier) sa quantité d'atomes radioactifs diminue. Au bout d'un moment on obtient la moitié de la proportion initiale, c'est ce qu'on appelle une \underline{demi-vie} ou encore une \underline{période radioactive}. Cette propriété sert par exemple à dater des fossiles (pour le carbone 14) par exemple.
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On utilise aussi la radioactivité naturelle de certains éléments introduits dans un corps humain pour tracer la circulation sanguine lors d'un scanner.
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\begin{figure}[H]
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\begin{center}
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%\label{}
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\includegraphics[scale=0.5]{plutonium-element.png}
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\caption{L'élément plutonium, un élément radioactif naturel.}
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\end{center}
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\end{figure}
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\begin{table}[H]
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\begin{center}
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%\label{ }
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\begin{tabular}{c c c c}
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Élément chimique & Élément stable & Isotope radioactif & Durée de demi-vie \\ [1ex]
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Carbone 14 & ${ ^{12}_{6}{C} }$ & ${ ^{14}_{6}{C} }$ & 5730 ans \\ [1ex]
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Plutonium 239 & ${ ^{244}_{94}{Pu} }$ & ${ ^{239}_{94}{Pu} }$ & 24 110 ans \\ [1ex]
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\ & \ & \ & 357 500 ans \\ [1ex]
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\hline
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Uranium 235 & ${ ^{238}_{92}{U} }$ & ${ ^{235}_{92}{U} }$ & 703,8 millions d'années \\ [1ex]
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\hline
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Cobalt 60 & ${ ^{59}_{27}{Co} }$ & ${ ^{60}_{27}{Co} }$ & 5,2714 ans \\ [1ex]
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\hline
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Strontium 90 & ${ ^{88}_{38}{Sr} }$ & ${ ^{90}_{38}{Sr} }$ & 28,78 ans \\ [1ex]
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\hline
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\end{tabular}
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\caption{Quelques périodes radioactives (ou demi-vies) de quelques éléments chimiques.}
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\end{center}
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\end{table}
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Le tableau $ \uparrow $ vous donne quelques durées de demi-vie (ou période radioactive) pour quelques éléments chimiques radioactifs. Le graphique $ \downarrow $ quant à lui montre ce qu'est la décroissance radioactive commençant à 100 \% de radioactivité puis décroissant au fur et à mesure que le nombre de périodes augmente.
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\begin{center}
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\begin{tikzpicture}
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\begin{axis}[
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title={Décroissance radioactive},
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axis lines = left,
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xlabel = {Nombre de périodes},
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ylabel = {Pourcentage de noyaux radioactifs restants},
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xmin=0, xmax=7,
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ymin=0, ymax=100,
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xtick={0,1,2,3,4,5,6,7},
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ytick={0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100},
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xmajorgrids=true,
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ymajorgrids=true,
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grid style=dashed,
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]
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\addplot [
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color=blue,
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mark=square,
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]
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coordinates {
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(0,100)(1,50)(2,25)(3,12.5)(4,6.25)(5,3.125)(6,1.5625)(7,0.78125)
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};
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\end{axis}
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\end{tikzpicture}
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\end{center}
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D'après mes recherches on considère comme non-dangereuse (tout étant relatif) une substance initialement radioactive lorsque 10 périodes ont été atteintes (ou qu'il reste ${ \frac{1}{{2}^{10}}}$e de la radioactivité initiale). |