Isotopes et masse atomique

Le tableau périodique indique environ 35.45 pour le chlore, et pourtant aucun atome de chlore ne pèse 35.45. Chacun est soit du chlore 35, soit du chlore 37.

Même élément, masses différentes

Les isotopes d'un élément ont le même nombre de protons et d'électrons, donc ils se comportent de la même façon dans les réactions. Ils ne diffèrent que par leurs neutrons, ce qui change leur masse. L'hydrogène le montre clairement. L'hydrogène ordinaire n'a aucun neutron. Le deutérium en a un et il est environ deux fois plus lourd. Le tritium en a deux et il est radioactif. Le NIST mesure que l'hydrogène naturel est à 99.9885 % de la forme simple et à 0.0115 % du deutérium.

D'où vient 35.45

La masse atomique imprimée dans le tableau périodique est une moyenne sur tous les atomes de cet élément présents dans la nature, pondérée par l'abondance de chaque isotope. Les masses se mesurent en unités de masse atomique, où un atome de carbone 12 vaut exactement 12. Pour le chlore, le NIST donne au chlore 35 une masse de 34.969 et une proportion de 75.76 %, et au chlore 37 une masse de 36.966 et une proportion de 24.24 %.

Multiplie chaque masse par sa proportion et additionne : 34.969 × 0.7576 + 36.966 × 0.2424 ≈ 26.49 + 8.96 ≈ 35.45. Comme trois atomes de chlore sur quatre sont de la sorte la plus légère, la moyenne est bien plus proche de 35 que de 37. Le même calcul pour le carbone, 12 × 0.9893 + 13.003 × 0.0107, donne environ 12.011 : voilà pourquoi le carbone est indiqué un peu au-dessus de 12.

Remarque que les masses des isotopes sont proches de nombres entiers sans leur être exactement égales. Le chlore 35 a un nombre de masse de 35, un simple compte de 17 protons et 18 neutrons, et pourtant sa masse mesurée est 34.969. Les nombres de masse sont toujours entiers, contrairement aux masses mesurées, car les protons et les neutrons ne valent pas exactement 1 unité chacun et une partie de la masse sert à lier le noyau.

Le NIST ne donne pas une masse atomique unique pour le chlore. Il donne un intervalle, de 35.446 à 35.457, car la proportion de chlore 37 varie légèrement entre des échantillons d'origines différentes. Dans la pratique, les chimistes l'arrondissent à 35.45. Quelques autres éléments, dont l'hydrogène et le carbone, sont indiqués avec un intervalle pour la même raison.

Les isotopes instables

Certains isotopes sont instables et se transforment lentement en d'autres éléments en émettant un rayonnement. Le carbone 14 en fait partie. Le NIST indique que la moitié de toute quantité de carbone 14 se transforme en azote 14 en 5730 ans. Ce rythme régulier s'appelle la demi-vie. Les êtres vivants absorbent du carbone toute leur vie, dont une infime part de carbone 14. Après leur mort, le carbone 14 n'est plus renouvelé et sa part diminue de moitié tous les 5730 ans : mesurer ce qui reste indique donc aux archéologues l'âge d'un os, d'une graine ou d'un ancien feu de camp.

La plupart des isotopes qu'on rencontre sont stables. Le carbone 12 et le carbone 13 ne changent jamais d'eux-mêmes, pas plus que les deux isotopes du chlore, l'hydrogène ordinaire et le deutérium. Parmi les huit isotopes du tableau ci-dessus (D est le deutérium et T le tritium ; les proportions sont celles du NIST), seuls le tritium et le carbone 14 sont radioactifs.