Éléments chimiques et abondance : cours de Première

Tout ce qui t'entoure, ton téléphone, l'air, l'eau, ton propre corps, est fabriqué à partir d'un nombre limité de « briques » : les éléments chimiques. On en connaît une centaine de stables, dont les noyaux sont le résultat de réactions nucléaires.¹ Pourtant, ces éléments ne sont pas présents en quantités égales. Dans le Soleil, dans la croûte terrestre ou dans le corps humain, quelques éléments dominent largement et la plupart sont rares.¹

Ce chapitre répond à trois questions que se posent les scientifiques : combien de chaque élément trouve-t-on dans un système donné ? D'où viennent-ils ? Comment le sait-on ? Tu verras ensuite pourquoi le vivant s'appuie sur un petit groupe d'éléments seulement.

Ce chapitre ouvre le thème « Une longue histoire de la matière » : il décrit le premier niveau d'organisation, celui des éléments. L'organisation cristalline et la cellule vivante viendront ensuite.

Un élément est repéré par son numéro atomique $Z$, qui est propre à chacun. Par exemple, l'oxygène a pour numéro atomique 8.⁴ Quand on parle d'abondance, on regroupe donc tous les atomes qui ont le même $Z$, qu'ils soient libres, engagés dans une molécule ou sous forme d'ion.

Le document d'accompagnement d'Éduscol rassemble des données et des graphiques qui montrent l'abondance relative dans plusieurs systèmes : l'Univers aujourd'hui, le Soleil, la croûte terrestre et le corps humain.¹ Le but est de comparer ces ensembles et d'y reconnaître les éléments principaux.¹

Une proportion peut se calculer de plusieurs façons. Selon ce que tu comptes, tu n'obtiens pas le même nombre pour le même système. On distingue :

• la fraction de masse : on compare des masses ;
• la fraction atomique : on compare des nombres d'atomes ;
• la fraction molaire : on compare des nombres de molécules ;
• la fraction de volume : on compare des volumes.⁴

La fraction de volume sert surtout pour des mélanges gazeux, comme l'atmosphère d'une planète.⁴ Pour des gaz qui se comportent comme des gaz parfaits (à faible pression notamment), elle est proche de la fraction molaire.⁴

À l'échelle de l'Univers, deux éléments se détachent : l'hydrogène est le plus abondant, l'hélium vient juste après.⁴ Ensuite, les autres éléments sont bien moins présents.

On observe une tendance générale : après le carbone, l'abondance diminue lorsque le numéro atomique augmente. L'oxygène, de numéro atomique 8, arrive ainsi en troisième position.⁴ C'est une tendance générale : en moyenne, plus un noyau est gros, moins il y en a, mais il existe des exceptions.

La diversité chimique du monde provient de plusieurs processus. Retiens-en deux, qui répondent à des époques et à des lieux très différents.⁴

Une étoile ne garde pas ses éléments pour elle. En explosant, elle disperse ce qu'elle a produit : ces étoiles ont ainsi enrichi la nébuleuse solaire de « poussières d'étoiles ».⁴ Le système solaire et nous-mêmes sommes donc faits de matière produite par des générations d'étoiles disparues.

Cette idée explique aussi pourquoi les noyaux des atomes de la centaine d'éléments stables ne sont pas un point de départ : ils résultent de réactions nucléaires.¹ Les éléments chimiques ont une histoire, et c'est le sens du titre du thème « Une longue histoire de la matière ».¹

Vingt-sept éléments interviennent dans le vivant, mais six dominent nettement. Les astrobiologistes les réunissent sous l'acronyme CHNOPS : carbone (C), hydrogène (H), azote (N), oxygène (O), phosphore (P) et soufre (S).⁴ Les quatre premiers (CHON) font à eux seuls environ 96 % de la masse du corps humain, et près de 99 % de ses atomes.⁴

Si l'oxygène et l'hydrogène sont si présents, c'est que les organismes contiennent beaucoup d'eau.⁴ Le carbone occupe une place particulière : avec l'hydrogène, il entre dans le plus grand nombre de composés chimiques.² Autour de lui s'assemblent, dans les molécules organiques, l'oxygène, l'hydrogène, l'azote ou le soufre.⁵

Le bloc ci-dessous précise la distinction entre un métal et son ion, car c'est un point qui déroute souvent.

Personne n'est allé prélever un morceau d'étoile lointaine. Les scientifiques combinent donc deux démarches.⁴

La seconde démarche permet de s'éloigner : on compare les spectres de la lumière reçue des étoiles et des galaxies. Plus l'objet est loin, moins l'information obtenue est précise.⁴ Les mesures sont donc à lire avec une marge d'incertitude.