Les isotopes : définition, exemples et nombre de neutrons

Isotope : la définition

Deux atomes sont des isotopes quand leurs noyaux contiennent le même nombre de protons et un nombre de neutrons différent. Comme le nombre de protons définit l’élément chimique, ce sont deux versions du même élément : l’une est simplement plus lourde que l’autre.

Le mot vient du grec isos, « égal », et topos, « lieu » : les isotopes d’un élément occupent la même case du tableau périodique.

Deux noyaux sont isotopes s’ils ont le même Z et un A différent. Nombre de neutrons : N = A − Z.

Astuce : Pour reconnaître des isotopes, regarde d’abord le symbole : il doit être le même. Si les symboles diffèrent, ce sont deux éléments différents, quel que soit A.

Exemples d’isotopes : hydrogène, carbone et uranium

Presque tous les éléments possèdent plusieurs isotopes. Ces trois familles reviennent sans cesse dans les exercices et dans les applications : la fusion, la datation et le nucléaire.

Comment calculer le nombre de neutrons d’un isotope

Le nom d’un isotope donne A : dans « carbone 14 », 14 est le nombre de masse, pas le nombre de neutrons. On lit Z dans le tableau périodique, puis on soustrait.

• Chlore 35 (Z = 17) : N = 35 − 17 = 18 neutrons.
• Chlore 37 (Z = 17) : N = 37 − 17 = 20 neutrons. Il a 2 neutrons de plus, et le même nombre de protons.
• Uranium 235 et uranium 238 (Z = 92) : 143 et 146 neutrons. Trois neutrons de différence suffisent à changer le comportement du noyau : seul l’uranium 235 entretient une réaction en chaîne dans un réacteur.
• Azote 14 et carbone 14 : même A, mais Z = 7 et Z = 6. Ce ne sont pas des isotopes, car ce sont deux éléments différents.

Abondance isotopique : pourquoi la masse du chlore vaut 35,5

Dans la nature, un élément est un mélange de ses isotopes, en proportions presque constantes. La masse molaire donnée par le tableau périodique en est la moyenne, pondérée par ces proportions, appelées abondances.

Le chlore naturel contient environ 75,8 % de chlore 35 et 24,2 % de chlore 37. La moyenne vaut 35 × 0,758 + 37 × 0,242 ≈ 35,5. Voilà pourquoi la masse molaire du chlore n’est pas un nombre entier : 35,5 g/mol.

Masse moyenne ≈ somme des (A × abondance), l’abondance étant écrite sous forme décimale.

Isotopes stables et isotopes radioactifs

Les isotopes d’un élément ont le même nombre d’électrons à l’état neutre, donc pratiquement les mêmes propriétés chimiques : l’eau lourde réagit presque comme l’eau ordinaire. Leur noyau, lui, peut se comporter très différemment.

Certains noyaux sont stables. D’autres ont trop de neutrons ou trop de protons : ils sont instables, on parle de radio-isotopes, et ils finissent par se désintégrer.

• Carbone 14 : sa demi-vie de 5 730 ans permet de dater des restes organiques jusqu’à environ 50 000 ans.
• Iode 131 : sa demi-vie d’environ 8 jours en fait un isotope utilisé en médecine pour la thyroïde.
• Uranium 235 : il est enrichi jusqu’à quelques pour cent pour alimenter les réacteurs nucléaires.

1. 1. Quel point commun ont toujours deux isotopes ?

   Le même nombre de neutronsLe même nombre de protonsLe même nombre de nucléonsLa même masse
   Voir la correction

   Le même nombre de protons. Des isotopes appartiennent au même élément : même Z, donc même nombre de protons.

2. 2. Combien de neutrons contient le noyau de fer 56 (Z = 26) ?

   26823056
   Voir la correction

   30. N = A − Z = 56 − 26 = 30.

3. 3. Quelle paire forme deux isotopes ?

   ¹⁶O et ¹⁸O⁴⁰K et ⁴⁰Ar¹⁴C et ¹⁴N²³Na et ²⁴Mg
   Voir la correction

   ¹⁶O et ¹⁸O. Seuls ¹⁶O et ¹⁸O portent le même symbole, donc le même Z. Les autres paires réunissent deux éléments différents.

4. 4. Que contient un atome neutre d’oxygène 18 (Z = 8) ?

   10 protons, 8 neutrons, 10 électrons8 protons, 18 neutrons, 8 électrons8 protons, 10 neutrons, 10 électrons8 protons, 10 neutrons, 8 électrons
   Voir la correction

   8 protons, 10 neutrons, 8 électrons. Z = 8 donne 8 protons et, pour un atome neutre, 8 électrons. N = 18 − 8 = 10 neutrons.

5. 5. Le cuivre naturel contient environ 69 % de cuivre 63 et 31 % de cuivre 65. Quelle est la masse moyenne approchée, à partir des nombres de masse ?

   64,063,664,465,0
   Voir la correction

   63,6. 63 × 0,69 + 65 × 0,31 = 43,47 + 20,15 ≈ 63,6. Le résultat est plus proche de 63, l’isotope le plus abondant. 64,4 correspond à une inversion des abondances.

6. 6. Que contient l’ion ³⁷Cl⁻ (Z = 17) ?

   17 protons, 20 neutrons, 16 électrons18 protons, 19 neutrons, 17 électrons17 protons, 20 neutrons, 18 électrons17 protons, 37 neutrons, 18 électrons
   Voir la correction

   17 protons, 20 neutrons, 18 électrons. Z = 17 protons, N = 37 − 17 = 20 neutrons. La charge − indique un électron de plus que de protons : 18 électrons.