Isotopes, masse atomique et mole

Ouvre le tableau périodique à la case de l'argent : sa masse atomique vaut cent sept virgule quatre-vingt-sept, pas un nombre entier. Pourtant, un atome contient un nombre entier de protons et de neutrons. D'où vient la partie décimale ? Pour répondre, on va parler des isotopes. Ensuite, on passera de l'échelle de l'atome à celle de la cuisine, avec l'outil que les chimistes utilisent tous les jours : la mole. À la fin de la leçon, tu sauras calculer la masse molaire d'un composé et dire combien de moles contient un sac de sel ou une bouteille d'eau.

Deux atomes qui ont le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent sont des isotopes du même élément. Le carbone en a plusieurs : le carbone 12, avec six neutrons, le carbone 13, avec sept, et le carbone 14, avec huit, qui est radioactif et sert à dater des restes anciens. Comme ces isotopes ont le même nombre d'électrons, ils ont pratiquement la même chimie : ils forment les mêmes molécules. Ce qui change, c'est leur masse. Un morceau de charbon contient donc un mélange d'isotopes, et la masse moyenne de ses atomes dépend des proportions de ce mélange.

L'argent des bijoux, des croix d'Agadez aux chaînes vendues à Abidjan ou à Montréal, est un mélange de deux isotopes stables, présents presque à parts égales : l'argent 107 fait un peu plus de la moitié des atomes, l'argent 109 un peu moins. Pour trouver la masse moyenne, tu pondères chaque masse par sa proportion : cent six virgule neuf zéro cinq fois zéro virgule cinq un huit quatre, plus cent huit virgule neuf zéro cinq fois zéro virgule quatre huit un six. Tu obtiens cent sept virgule quatre-vingt-sept, la valeur du tableau. Remarque qu'aucun atome d'argent ne pèse cette masse : chacun pèse environ cent sept ou environ cent neuf. La partie décimale ne vient donc ni d'un arrondi ni d'un morceau de neutron : elle vient du mélange des deux isotopes.

Les proportions d'isotopes ne sont pas exactement les mêmes partout sur Terre. L'hydrogène d'une eau de pluie et celui d'un gisement de gaz n'ont pas tout à fait la même composition. C'est pour cela que la commission internationale qui fixe les masses atomiques donne, pour certains éléments, un intervalle plutôt qu'une valeur unique. Pour l'hydrogène, la masse se situe entre 1,007 84 et 1,008 11. Les tableaux de classe affichent une valeur abrégée, 1,008, qui suffit pour tous tes calculs. Le sodium, lui, n'a qu'un isotope stable : sa masse atomique est donc fixe et connue avec une grande précision.

Quand un laboratoire d'analyse médicale indique que l'albumine du sang pèse environ soixante-six mille daltons, il emploie l'unité des masses atomiques sous un autre nom. Cette unité, notée u, est définie comme le douzième de la masse d'un atome de carbone 12. Sa définition a été accordée à celle de la mole, que tu vas voir juste après : six virgule zéro deux deux fois dix puissance vingt-trois unités de masse atomique font presque exactement un gramme. Divise un gramme par ce nombre, et tu obtiens la valeur d'une unité, environ un virgule six six fois dix puissance moins vingt-quatre gramme. Avec cette échelle, les masses des atomes deviennent des nombres simples : un atome de sodium 23 pèse un peu moins de vingt-trois unités.

On ne compte pas les atomes un par un : il y en a beaucoup trop. On les compte par paquets, comme un vendeur du marché compte les œufs par plateaux ou un papetier compte les feuilles par rames. Le paquet des chimistes s'appelle la mole. Depuis la révision du Système international d'unités adoptée en 2018, une mole contient exactement six virgule zéro deux deux fois dix puissance vingt-trois entités. Ce nombre est la constante d'Avogadro. Les entités peuvent être des atomes, des molécules, des ions ou même des électrons : il faut toujours préciser de quoi on parle.

La masse d'une mole s'appelle la masse molaire, en grammes par mole. Elle a la même valeur numérique que la masse de l'entité en unités de masse atomique. Pour l'eau, tu additionnes deux hydrogènes et un oxygène : environ dix-huit grammes par mole. Pour le sel de cuisine, le chlorure de sodium, tu additionnes sodium et chlore : cinquante-huit virgule quarante-quatre grammes par mole. Ensuite, pour trouver une quantité de matière, tu divises la masse par la masse molaire. Un sachet d'un kilo de sel, acheté à Dakar ou à Bruxelles, contient donc environ dix-sept moles de chlorure de sodium.

Retiens que des isotopes sont des atomes du même élément avec un nombre de neutrons différent, et qu'ils ont la même chimie. La masse atomique du tableau est une moyenne pondérée par l'abondance des isotopes : c'est pour cela qu'elle n'est presque jamais entière. Retiens aussi la mole, ce paquet de six virgule zéro deux deux fois dix puissance vingt-trois entités, et la relation la plus utilisée de toute la chimie : la quantité de matière est égale à la masse divisée par la masse molaire. Dans la prochaine leçon, on revient aux électrons, avec une question lumineuse : d'où viennent les couleurs des feux d'artifice ?