Transformations physiques, chimiques et nucléaires — exercices corrigés

En combien de grandes familles classe-t-on les transformations de la matière ?

Lors d'une transformation physique, qu'est-ce qui est conservé ?

Un glaçon fond dans le verre de Yasmine : ${\text{H}}_2\text{O (s)}\to {\text{H}}_2\text{O (l)}$. De quel type de transformation s'agit-il ?

Le gaz butane brûle dans le brûleur : il disparaît et il se forme du dioxyde de carbone et de l'eau. De quel type de transformation s'agit-il ?

Lors d'une transformation chimique, qu'est-ce qui est conservé ?

Lors d'une transformation nucléaire, qu'est-ce qui change ?

Sur la côte d'Essaouira, l'eau de mer s'évapore dans les marais salants : ${\text{H}}_2\text{O (l)}\to {\text{H}}_2\text{O (g)}$. C'est une transformation physique.

Dissoudre du sucre dans le thé est une transformation chimique, car le sucre « disparaît ».

Un clou en fer oublié dans la cour humide de Salma se couvre de rouille. De quel type de transformation s'agit-il ?

Au cœur du Soleil, des noyaux d'hydrogène fusionnent pour former de l'hélium. De quel type de transformation s'agit-il ?

Comment se classe l'ordre de grandeur de l'énergie mise en jeu par les trois types de transformation ?

Dans la notation d'un noyau ${}_Z^A\text{X}$, que représentent $A$ et $Z$ ?

Le principe de Lavoisier (« rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ») affirme que les éléments chimiques sont conservés au cours d'une transformation chimique.

Soit l'équation nucléaire ${}_{92}^{238}\text{U}\to {}_{90}^A\text{Th}+{}_2^4\text{He}$.

En utilisant la conservation du nombre de nucléons $A$, trouve la valeur de $A$.

Soit l'équation nucléaire ${}_{92}^{238}\text{U}\to {}_Z^{234}\text{Th}+{}_2^4\text{He}$.

En utilisant la conservation du nombre de protons $Z$, trouve la valeur de $Z$.

Une transformation physique est souvent réversible par une simple variation de température.

Dans une transformation chimique, comment appelle-t-on les espèces consommées et les espèces formées ?

Dans une centrale nucléaire, un noyau lourd d'uranium se casse en deux noyaux plus petits. Comment s'appelle ce phénomène ?

Un changement d'état (fusion, vaporisation, condensation) est toujours une transformation physique.

Une réaction chimique peut transformer un élément chimique en un autre, par exemple le plomb en or.

Karim affirme : « Quand le beurre fond dans la poêle, c'est une transformation chimique, parce que le beurre change d'aspect. » Que penser de son raisonnement ?

Amine verse du vinaigre sur du bicarbonate de soude : ça mousse violemment et il se dégage un gaz. De quel type de transformation s'agit-il, et quel indice le trahit ?

Le radium se désintègre selon ${}_{88}^{226}\text{Ra}\to {}_Z^{222}\text{Rn}+{}_2^4\text{He}$.

Trouve le numéro atomique $Z$ du radon (Rn) en utilisant la conservation du nombre de protons.

Le carbone 14, utilisé pour dater les fossiles, se désintègre selon ${}_6^A\text{C}\to {}_7^{14}\text{N}+{}_{-1}^0\text{e}$.

Trouve le nombre de nucléons $A$ du carbone en utilisant la conservation de $A$.

Quand l'eau bout dans la théière de Yasmine, elle se décompose en dihydrogène et dioxygène : c'est une transformation chimique.

Le charbon de bois brûle sur le barbecue d'un souk de Marrakech : $\text{C}+{\text{O}}_2\to {\text{CO}}_2$. Quelle affirmation est correcte ?

Salma raisonne : « Le Soleil brûle, c'est donc une combustion, une réaction chimique géante. » Pourquoi a-t-elle tort ?

À masse égale, une transformation nucléaire libère environ un million de fois plus d'énergie qu'une transformation chimique.

Une fission de l'uranium 235 s'écrit ${}_{92}^{235}\text{U}+{}_0^1\text{n}\to {}_{38}^{94}\text{Sr}+{}_{54}^{140}\text{Xe}+x{}_0^1\text{n}$, où $x$ est le nombre de neutrons libérés.

Trouve $x$ en utilisant la conservation du nombre de nucléons $A$.

Dans une transformation, un atome de sodium ($Z=11$) devient un atome de magnésium ($Z=12$). Que peut-on conclure ?

La vapeur de la théière touche la vitre froide de la cuisine et se transforme en fines gouttelettes liquides. De quel type de transformation s'agit-il ?

Le cobalt 60, utilisé en médecine, se désintègre selon ${}_{27}^{60}\text{Co}\to {}_Z^{60}\text{Ni}+{}_{-1}^0\text{e}$.

Trouve le numéro atomique $Z$ du nickel (Ni) en utilisant la conservation des protons.

Broyer un gros cristal de sel en poudre fine est une transformation chimique, car le sel change de forme.

Parmi ces observations, laquelle n'est pas un indice classique de transformation chimique ?

Une réaction de fusion s'écrit ${}_1^2\text{H}+{}_1^3\text{H}\to {}_2^4\text{He}+{}_0^A\text{n}$.

Trouve le nombre de nucléons $A$ du neutron émis en utilisant la conservation de $A$.

Amine mélange de l'eau et du sirop de menthe pour préparer une boisson, sans qu'aucune espèce nouvelle ne se forme. De quel type de transformation s'agit-il ?

La radioactivité est une transformation nucléaire au cours de laquelle un noyau instable se désintègre spontanément.

Le polonium 210 se désintègre selon ${}_{84}^{210}\text{Po}\to {}_{82}^A\text{Pb}+{}_2^4\text{He}$.

Trouve le nombre de nucléons $A$ du plomb (Pb) en utilisant la conservation de $A$.

Pourquoi fondre un glaçon demande-t-il beaucoup moins d'énergie que brûler du gaz pour la même masse de matière ?

Yasmine observe trois scènes : (1) un glaçon qui fond, (2) du gaz qui brûle, (3) le Soleil qui rayonne. Quel classement est correct ?

Amine regarde une vidéo d'une explosion spectaculaire dans une usine près de Mohammedia. Il en conclut : « Une explosion chimique aussi violente que celle-là libère forcément autant d'énergie qu'une réaction nucléaire, à masse égale. C'est juste une question d'intensité. » A-t-il raison ?

Pour son devoir, Yasmine doit classer trois phénomènes observés chez sa grand-mère à Fès : faire fondre un glaçon, brûler du gaz dans le brûleur, et le fonctionnement du Soleil. Pour chacun, donne le type de transformation, justifie-le par le critère de conservation, puis compare les énergies mises en jeu.

L'uranium 239 se désintègre selon ${}_{92}^{239}\text{U}\to {}_Z^{239}\text{Np}+{}_{-1}^0\text{e}$, où Np est le neptunium.

Détermine $Z$ en utilisant la conservation du nombre de protons.

Karim affirme : « L'eau qui bout dans la théière et l'eau qu'on décompose par électrolyse en dihydrogène et dioxygène, c'est pareil : dans les deux cas, l'eau se transforme, donc ce sont deux transformations chimiques. »

Explique en quoi Karim se trompe, et classe correctement les deux phénomènes.

Le radon 222 se désintègre selon ${}_{86}^{222}\text{Rn}\to {}_{84}^A\text{Po}+{}_2^4\text{He}$.

Détermine le nombre de nucléons $A$ du polonium (Po) en utilisant la conservation de $A$, puis vérifie la conservation de $Z$.

Salma classe la formation de la rouille sur un portail en fer comme une transformation physique, « parce que le fer change simplement de couleur, il devient orange ». Elle ajoute : « D'ailleurs, comme c'est lent, ça ne peut pas être chimique, les réactions chimiques sont toujours violentes. »

Réfute ses deux arguments et donne le bon classement.

Le thorium 234 se désintègre par émission d'un électron : ${}_{90}^{234}\text{Th}\to {}_Z^{234}\text{Pa}+{}_{-1}^0\text{e}$, où Pa est le protactinium.

Détermine $Z$ en utilisant la conservation des protons.

Amine compare deux moyens de chauffer de l'eau pour le thé : un brûleur à gaz (combustion du butane) et une centrale nucléaire (fission de l'uranium). Il s'étonne : « Une centrale produit énormément d'électricité avec très peu de combustible, alors qu'il faut beaucoup de gaz. »

Explique cette différence en mobilisant la notion de profondeur des transformations, et classe les énergies.

Le sodium 22 se désintègre par émission d'un positon : ${}_{11}^{22}\text{Na}\to {}_Z^{22}\text{Ne}+{}_1^0\text{e}$, où le positon a $A=0$ et $Z=+1$, et Ne est le néon.

Détermine $Z$ en utilisant la conservation des protons.

Yasmine dresse une liste de six phénomènes pour réviser. Classe chacun (physique, chimique ou nucléaire) en justifiant par ce qui est conservé :

1. La condensation de la vapeur sur une vitre froide.
2. La combustion du charbon de bois sur un barbecue.
3. La désintégration d'un noyau d'uranium en thorium.
4. La dissolution du sel dans l'eau de cuisson.
5. La fusion de l'hydrogène en hélium au cœur du Soleil.
6. La rouille qui se forme sur un clou.

Une fission de l'uranium 235 produit du baryum et du krypton : ${}_{92}^{235}\text{U}+{}_0^1\text{n}\to {}_{56}^{141}\text{Ba}+{}_Z^{92}\text{Kr}+3{}_0^1\text{n}$.

Détermine le numéro atomique $Z$ du krypton (Kr) en utilisant la conservation des protons.

Au laboratoire du lycée de Casablanca, Yasmine réalise deux expériences sur une même quantité d'eau salée : (A) elle la fait bouillir jusqu'à ce que tout le liquide parte, et il reste du sel au fond ; (B) elle plonge une plaque de cuivre et observe, après plusieurs jours, l'apparition d'un dépôt vert (un nouveau composé du cuivre).

Pour chaque expérience, indique le type de transformation, justifie par la conservation, et précise si elle est réversible.

La première transmutation provoquée de l'histoire s'écrit ${}_7^{14}\text{N}+{}_2^4\text{He}\to {}_8^A\text{O}+{}_1^1\text{H}$.

Détermine le nombre de nucléons $A$ de l'oxygène (O) en utilisant la conservation de $A$.

Karim a lu que les alchimistes cherchaient à transformer le plomb ($Z=82$) en or ($Z=79$). Il propose : « Il suffit de trouver la bonne réaction chimique, en mélangeant le plomb avec les bons réactifs. »

Explique pourquoi sa proposition est vouée à l'échec, et précise quel type de transformation serait réellement nécessaire.

L'iode 131, utilisé en médecine nucléaire, se désintègre selon ${}_{53}^{131}\text{I}\to {}_Z^{131}\text{Xe}+{}_{-1}^0\text{e}$, où Xe est le xénon.

Détermine $Z$ en utilisant la conservation des protons.

Dans l'équation ${}_4^9\text{Be}+{}_2^4\text{He}\to {}_6^{12}\text{C}+{}_Z^A\text{X}$, la particule X est inconnue.

Détermine d'abord son nombre de nucléons $A$ par conservation, puis donne la valeur de $A$ comme réponse. (Tu trouveras au passage $Z$, ce qui identifie X.)

Dans la cuisine de Fès, Salma prépare un thé. Elle observe : (1) le sucre qui disparaît quand elle le verse dans le thé chaud, (2) la cire d'une bougie qui fond puis brûle au sommet de la mèche, (3) la buée qui se forme sur le couvercle de la théière.

Pour chaque observation, indique le type de transformation. Attention au cas (2), qui demande de distinguer deux phénomènes.

La première radioactivité artificielle s'écrit ${}_{13}^{27}\text{Al}+{}_2^4\text{He}\to {}_{15}^A\text{P}+{}_0^1\text{n}$, où P est le phosphore.

Détermine le nombre de nucléons $A$ du phosphore en utilisant la conservation de $A$.

À l'oral, le professeur demande à Yasmine : « Donne-moi trois exemples de transformations physiques différentes, et pour chacun justifie pourquoi c'est physique, sans te contenter de dire que c'est un changement d'état. »

Rédige une réponse complète.

Un noyau de thorium 230 subit deux désintégrations $\alpha$ successives (émission de deux noyaux ${}_2^4\text{He}$ au total) et donne un noyau final ${}_Z^{222}\text{Rn}$ :

${}_{90}^{230}\text{Th}\to {}_Z^{222}\text{Rn}+2{}_2^4\text{He}\mathrm{.}$

Détermine le numéro atomique $Z$ du radon en utilisant la conservation des protons.

Pour conclure son chapitre, Yasmine veut bâtir un tableau de synthèse qui croise, pour les trois types de transformation, ce qui est conservé, un exemple et l'ordre de grandeur de l'énergie. Construis ce tableau, puis énonce en une phrase la grande idée qui relie « conservation » et « énergie ».