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Distinguer la nature physique, chimique ou nucléaire d'une transformation

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Objectifs

Distinguer la nature physique, chimique ou nucléaire d’une transformation à partir :

de l’équation de la transformation ;
des éléments conservés ou non lors de la transformation ;
de la description de la transformation.

Points clés

Une transformation physique correspond à un changement d’état (solide, liquide ou gazeux) de la matière.
Une transformation chimique est un « réarrangement » des éléments chimiques : il y a conservation des éléments chimiques, de la masse et des charges électriques.
Une transformation nucléaire est une modification du noyau des atomes : il y a conservation des charges électriques mais modification des éléments chimiques et de la masse.

Pour bien comprendre

Les transformations physiques, chimiques et nucléaires

1. Les transformations physiques, chimiques et nucléaires

a. Les transformations physiques

Principe

Une transformation physique correspond à un changement d’état (solide, liquide ou gazeux) de la matière.

Les espèces chimiques ne sont pas modifiées, seul leur état physique change.

Équation de la transformation

Une transformation physique d’un corps pur est symbolisée par une équation de changement d’état dans laquelle on précise la formule du corps pur avec son état initial et son état final entre parenthèses.

Par convention, on écrit (s) pour l’état solide, (l) pour l’état liquide et (g) pour l’état gazeux.

L’équation de la fusion d’un corps de symbole X s’écrit :

X(s) → X(l)

L’équation de vaporisation d’un corps de symbole Y s’écrit :

Y(l) → Y(g)

Exemple
La solidification de l’eau a pour équation : H₂O(l) → H₂O(s).

Transfert d’énergie

Les transformations physiques s’accompagnent d’un échange thermique avec l’extérieur.

Les réactions de fusion, vaporisation et sublimation sont endothermiques : elles captent de l’énergie thermique.
Les réactions de solidification, liquéfaction et condensation sont exothermiques : elles cèdent de l’énergie thermique.

b. Les transformations chimiques

Principe

Une transformation chimique est un « réarrangement » des éléments chimiques.

Au cours d’une réaction chimique, il y a échange ou mise en commun d’électrons de valence des espèces chimiques présents initialement.

Seul le cortège électronique des atomes est mis en jeu lors d’une transformation chimique.

Une transformation chimique transforme des espèces chimiques (les réactifs) en d’autres espèces chimiques (les produits).

Équation de la transformation

Une transformation chimique est schématisée par une équation de la forme suivante.

somme des réactifs → somme des produits

Exemple
La combustion du propane est une transformation chimique qui transforme le propane et le dioxygène (les réactifs) en eau et dioxyde de carbone (les produits). Son équation chimique est : C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

Transfert d’énergie

Une transformation chimique peut être exothermique, endothermique ou athermique (pas de transfert d’énergie).

Généralement, les transferts thermiques des réactions chimique sont plus grands que ceux des transformations physiques

c. Les transformations nucléaires

Principe

Les transformations chimiques modifient le cortège électronique des atomes, tandis que les transformations nucléaires modifient le noyau des atomes.

Des noyaux pères réarrangent leurs nucléons pour donner des noyaux fils.

Il n’y a donc pas de modification de la charge électrique (Z) ni du nombre de nucléons (A).

La masse totale des produits de la réaction nucléaire est inférieure à la masse des particules qui ont réagies.

Cette perte de masse est due à l’énergie libérée par la réaction.

Équation de la transformation

L’équation d’une transformation nucléaire fait apparaitre l’écriture conventionnelle des noyaux pères et fils, ainsi que des particules libres.

Une particule libre est une particule seule, qui peut être :

un neutron de symbole ;
un électron de symbole ;
un positon de symbole ;
un proton de symbole .

Exemple
La réaction de fusion nucléaire des deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium, forme un atome d’hélium et libère un neutron. Son équation nucléaire est :

Transfert d’énergie

Beaucoup de transformations nucléaires sont très exothermiques. Pour une même masse de réactifs, une réaction nucléaire peut libérer environ 1 million de fois plus d’énergie qu’une réaction chimique.

2. Les conservations dans les transformations physiques, chimiques et nucléaires

Le tableau suivant rappelle ce qui est conservé en fonction du type de transformation.

	Transformation physique	Transformation chimique	Transformation nucléaire
Conservation des espèces chimiques	×
Conservation des éléments chimiques (donc des noyaux)	×	×
Conservation de la masse	×	×
Conservation de la charge électrique	×	×	×
Conservation du nombre de nucléons	×	×	×