Les isotopes

1. Qu’est-ce qu’un isotope ?
2. Comment désigner un isotope
3. Comment reconnaître des isotopes
4. Propriétés chimiques des isotopes
5. Nombre de nucléons d’un élément chimique
6. Masse molaire
7. Isotopes stables et instables
8. Isotopes de l’hydrogène
9. Isotopes du carbone
10. Isotopes de l’uranium

Qu’est-ce qu’un isotope ?

Définition
Deux atomes sont qualifiés d’isotopes si leur noyau comporte le même nombre de protons mais que leur nombre de neutrons est différent 

Exemple
Si un atome possède dans son noyau 15 protons et 15 neutrons et qu’un autre a 15 protons et 17 neutrons alors ces atomes sont dit isotopes.

L’isotopie est une relation définie entre deux sortes d’atomes mais par extension on qualifie aussi d’ “isotope d’un élément chimique” tout atome correspondant à cet élément et possédant un nombre défini de neutrons.

Exemple
On dit qu’un atome ayant 6 protons et 14 neutrons dans son noyau est un isotope du carbone.

Comment désigner un isotope

Un isotope (suivant la définition étendue) est caractérisé par son nombre de protons (qui l’associe à un élément chimique de numéro atomique Z) et par son nombre de neutrons N qui peut être déduit du nombre de nucléons A (puisque A = Z + N). Par conséquent un isotope donné peut aussi être défini à partir du nom de l’élément chimique et du nombre de nucléon.

Exemples

• L’isotope constitué de 6 protons et de 14 nucléons est appelé isotope 14 du carbone ou carbone 14
• L’isotope constitué de 2 protons et un total de 4 nucléons est appelé isotope 4 de l’hélium Ou hélium 4

Comment reconnaître des isotopes

D’après sa définition, la première condition pour que des atomes soient isotopes est qu’ils possèdent le même nombre de protons, ce qui équivaut à vérifier:

• Qu’ils ont le même numéro atomique
• Qu’ils correspondent au même élément chimique
• Qu’ils possèdent le même symbole atomique
• Qu’ils ont un noyau portant la même charge positive
• Qu’ils ont le même nombre d’électrons
• Qu’ils ont un nuage électronique portant la même charge négative

La deuxième condition pour que deux atomes soient isotopes est un nombre N différent de neutrons, ce qui implique aussi que le nombre total A de nucléons (protons + neutrons) soit différent.

Propriétés chimiques des isotopes

Des atomes isotopes possèdent par définition le même nombre de protons mais aussi le même nombre d’électrons et donc ont aussi la même structure électronique or cette dernière détermine une grande partie des propriétés chimiques d’un atome, en particulier:

• Les ions monoatomiques stables qu’il peut former
• Le nombre de liaisons qu’il peut établir avec d’autres atomes au sein d’une molécule

Par conséquent des atomes isotopes:

• forment les même ions stables
• établissent le même nombre de liaisons et forment les même molécules
• possède une réactivité très proches

Nombre de nucléons d’un élément chimique

Dans le tableau périodique, tout élément est accompagné de son numéro atomique (Z) mais aussi de son nombre de nucléons (A), or ce dernier diffère selon l’isotope considéré. Par conséquent le tableau périodique indique le nombre moyen de nucléons des isotopes présents dans un échantillon naturel de l’élément chimique. C’est pour cette raison que le nombre de nucléons de certains éléments est un nombre décimal.

Masse molaire

Etant donné que deux isotopes ont un nombre de nucléons différent, leur masse molaire est aussi différente.

Par exemple, le carbone 12 a une masse molaire de 12 g/mol tandis que celle du carbone 14 est 14 g/mol.

Puisque tout élément chimique naturel est un mélange d’isotopes, sa masse molaire correspond à la moyenne (pondérée) des masse molaires des différents isotopes.

Isotopes stables et instables

Par définition les isotopes d’un élément diffèrent par leur nombre de neutrons, il paraît donc possible d’envisager plusieurs dizaines d’isotopes pour chaque élément chimique.

En pratique chaque élément chimique ne possède qu’un nombre assez limité d’isotopes stables qui ont le plus souvent un nombre de neutrons proche de celui de protons (surtout pour les petits numéros atomiques). Les autres isotopes sont dits instables ou radioactifs, ils ont une durée de vie moyenne qui varie de quelques millionièmes de seconde (pour les plus instables) à plusieurs milliards d’années. Leur noyau fini par se désintégrer et former un élément différent (qui dépend du mode de désintégration)

Certains éléments de numéro atomique élevé ne possèdent même aucun isotope naturel stables, ils n’ont que des isotopes radioactifs instables qui peuvent engendrés par réaction nucléaire entre éléments plus légers.

Les isotopes de l’hydrogène

Les isotopes de l’hydrogène ont la particularité de posséder le propre nom et leur symbole:

• L’hydrogène 1, aussi appelé protium, est le principal isotope stable de l’hydrogène (99,98% des hydrogènes naturels), c’est aussi le plus petit isotope existant puisque son atome ne comporte qu’un proton et aucun neutron.
• L’hydrogène 2, aussi appelé deutérium (de symbole D) est un isotope stable, son noyau est constitué d’un proton et d’un neutron. Une molécule d’eau dont les deux hydrogène sont du deutérium est appelée eau lourde (elle est utilisée dans les réacteurs nucléaires pour ralentir les neutrons)
• L’hydrogène 3, aussi appelé tritium (de symbole T) est radioactif. Son noyau comporte un proton et deux neutrons.
• L’hydrogène 4, aussi appelé quadrinium (de symbole Q), est radioactif et particulièrement instable. Son noyau est constitué d’un proton et de trois neutrons.

Les isotopes du carbone

• L’isotope naturel stable le plus abondant (98,93%) est le carbone 12 constitué de 6 protons et de 6 neutrons (Z=6 et A=6).
• Le carbone 13 est un autre autre isotope stable, il est comporte 6 protons et 7 neutrons
• Le carbone 14 (6 proton et 8 neutrons) est un isotope radioactif naturel dont la désintégration est relativement lente (plusieurs milliers d’années). Sa proportion dans une substance organique tend à décroître au cours du temps, elle est à la base d’une technique de datation dite au carbone 14.
• Le carbone 11 est un autre isotope radioactif mais dont la désintégration est nettement plus rapide (de l’ordre de quelques dizaines de minutes), il est utilisé en médecine nucléaire (inclus dans une substance injectée il dans le corps il permet d’exploiter des techniques d’imagerie médicale)

Les isotopes de l’uranium

L’uranium est un élément dont tous les isotopes sont radioactifs, il en possède en tout une vingtaine mais seuls trois existent naturellement:

• L’isotope naturel le plus abondant (99,27%) est l’uranium 238 dont le noyau est constitué de 92 protons et de 146 neutrons.
• L’uranium 235 (92 protons et 143 neutrons) ne représente qu’une très faible proportion de l’uranium naturel (environ 0,72%). Il est l’isotope «fissile» qui peut subir une réaction nucléaire de fission exploitée dans une bombe ou un réacteur nucléaire cependant cette fission ne peut être provoquée qu’avec un pourcentage supérieur. Pour être exploitable, l’uranium naturel doit subir un processus d’enrichissement qui augmente la proportion de l’isotope 235.
• L’uranium 234 (92 protons et 142 neutrons) est n’est présent dans l’uranium naturel qu’à l’état de traces.

Remarque

Tous les éléments de numéro atomique supérieur à celui de l’uranium (Z=92) sont artificiels.