5.8 : Isotopes – Quand le nombre de neutrons varie

Stabilité des isotopes

Les atomes ont besoin d’un certain ratio de neutrons par rapport aux protons pour avoir un noyau stable. Avoir trop ou trop peu de neutrons par rapport aux protons donne un noyau instable, ou radioactif, qui se décomposera tôt ou tard en une forme plus stable. Ce processus est appelé désintégration radioactive. De nombreux isotopes ont des noyaux radioactifs, et ces isotopes sont appelés radioisotopes. Lorsqu’ils se désintègrent, ils libèrent des particules qui peuvent être nocives. C’est pourquoi les isotopes radioactifs sont dangereux et que travailler avec eux nécessite des combinaisons spéciales pour se protéger. L’isotope du carbone connu sous le nom de carbone 14 est un exemple de radio-isotope. En revanche, les isotopes du carbone appelés carbone-12 et carbone-13 sont stables.

Toute cette discussion sur les isotopes nous ramène à la théorie atomique de Dalton. Selon Dalton, les atomes d’un élément donné sont identiques. Mais si les atomes d’un élément donné peuvent avoir un nombre différent de neutrons, alors ils peuvent aussi avoir des masses différentes ! Comment Dalton a-t-il pu manquer cela ? Il s’avère que les éléments trouvés dans la nature existent sous forme de mélanges uniformes et constants de leurs isotopes naturels. En d’autres termes, un morceau de lithium contient toujours les deux types de lithium naturel (le type à 3 neutrons et le type à 4 neutrons). De plus, il contient toujours les deux dans les mêmes quantités relatives (ou « abondances relatives »). Dans un morceau de lithium, \(93\%\) sera toujours du lithium avec 4 neutrons, tandis que le reste \(7\%\) sera toujours du lithium avec 3 neutrons.

Dalton a toujours expérimenté avec de grands morceaux d’un élément – des morceaux qui contenaient tous les isotopes naturels de cet élément. Par conséquent, lorsqu’il effectuait ses mesures, il observait en fait les propriétés moyennes de tous les différents isotopes de l’échantillon. Pour la plupart de nos besoins en chimie, nous ferons la même chose et traiterons de la masse moyenne des atomes. Heureusement, à part le fait d’avoir des masses différentes, la plupart des autres propriétés des différents isotopes sont similaires.

Il existe deux façons principales par lesquelles les scientifiques montrent fréquemment le numéro de masse d’un atome qui les intéresse. Il est important de noter que le numéro de masse n’est pas indiqué sur le tableau périodique. Ces deux façons incluent l’écriture d’un symbole nucléaire ou en donnant le nom de l’élément avec le numéro de masse écrit.

Pour écrire un symbole nucléaire, le numéro de masse est placé en haut à gauche (exposant) du symbole chimique et le numéro atomique est placé en bas à gauche (indice) du symbole. Le symbole nucléaire complet de l’hélium 4 est dessiné ci-dessous :

Les symboles nucléaires suivants concernent un noyau de nickel avec 31 neutrons et un noyau d’uranium avec 146 neutrons.

Dans le noyau de nickel représenté ci-dessus, le numéro atomique 28 indique que le noyau contient 28 protons et qu’il doit donc contenir 31 neutrons pour avoir un numéro de masse de 59. Le noyau d’uranium a 92 protons comme tous les noyaux d’uranium et ce noyau d’uranium particulier a 146 neutrons.

Une autre façon de représenter les isotopes est d’ajouter un trait d’union et le numéro de masse au nom ou au symbole chimique. Ainsi, les deux noyaux seraient Nickel-59 ou Ni-59 et Uranium-238 ou U-238, où 59 et 238 sont les numéros de masse des deux atomes, respectivement. Notez que les numéros de masse (et non le nombre de neutrons) sont donnés à côté du nom.

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