Activité 2 — Trois mondes, trois répartitions (corrigé)

Les deux éléments les plus abondants du Système solaire sont :

• Hydrogène (H) : 73,9 % en masse ;
• Hélium (He) : 24,0 % en masse.

Leur part totale est :

$73{,}9 + 24{,}0 = \textbf{97{,}9\,\%}$

On peut utiliser ces valeurs pour décrire la composition de l’Univers car :

• le Soleil représente à lui seul 99,8 % de la masse du Système solaire ;
• la surface du Soleil n’a pratiquement pas changé de composition depuis sa formation ;
• les valeurs mesurées dans le Système solaire (par spectroscopie solaire et analyse de météorites primitives) sont donc une bonne approximation de la composition de la matière ordinaire de l’Univers.

Tracé des barres (valeurs à reporter) :

• He : 24,0 % ;
• O : 1,04 % ;
• C : 0,46 % ;
• Ne : 0,13 % ;
• Fe : 0,11 %.

Constat : sur l’échelle linéaire (0 à 80 %), les barres de l’oxygène (1,04 %), du carbone (0,46 %), du néon (0,13 %) et du fer (0,11 %) sont quasiment invisibles. Seules les barres de l’hydrogène et de l’hélium sont bien visibles.

Cette représentation ne permet pas de comparer les éléments peu abondants entre eux : leurs barres sont trop petites pour être distinguées.

Tracé des barres (mêmes valeurs, échelle logarithmique) :

• He : 24,0 % (entre 10 et 100) ;
• O : 1,04 % (légèrement au-dessus de 1) ;
• C : 0,46 % (entre 0,1 et 1) ;
• Ne : 0,13 % (légèrement au-dessus de 0,1) ;
• Fe : 0,11 % (légèrement au-dessus de 0,1).

Comparaison des deux représentations :

• Échelle linéaire : seule la barre de l’hydrogène est bien visible ; les autres sont écrasées.
• Échelle logarithmique : toutes les barres sont visibles et comparables, même celles dont les valeurs diffèrent de plusieurs ordres de grandeur.

C’est donc l’échelle logarithmique qui permet de comparer tous les éléments entre eux, car elle compense les très grandes différences d’abondance.

Quatre éléments les plus abondants :

• Terre (surface) : O (47 %), Si (27 %), Al (7,9 %), Fe (5,4 %) ;
• Corps humain : O (65 %), C (18,5 %), H (9,5 %), N (3,2 %).

Éléments contrastés :

• Très abondant dans le Système solaire mais très peu abondant sur Terre : l’hélium (He) (24,0 % dans le Système solaire, très peu abondant sur Terre). L’hélium est pratiquement absent de la croûte terrestre et de l’atmosphère. L’hydrogène est aussi beaucoup moins abondant sur Terre (0,9 %) que dans le Système solaire (73,9 %).
• Peu abondant dans le Système solaire mais très présent dans le corps humain : le carbone (C) (0,46 % dans le Système solaire, 18,5 % dans le corps humain) et l’azote (N) (0,10 % dans le Système solaire, 3,2 % dans le corps humain).

Non, les éléments C, H, O et N n’ont pas été fabriqués par les êtres vivants.

Justification (activité 1) :

• L’hydrogène a été formé juste après le Big Bang, il y a environ 13,8 milliards d’années.
• Le carbone, l’oxygène et l’azote ont été fabriqués dans les étoiles par fusion nucléaire (carbone et oxygène par fusion de l’hélium, azote par des réactions secondaires).
• Ces éléments ont été dispersés dans l’espace lors d’explosions de supernovae ou par les vents stellaires.

Les êtres vivants n’ont fait qu’assembler ces atomes préexistants pour former des molécules organiques (protéines, ADN, glucides, lipides). Ils ne créent pas les noyaux atomiques : c’est le domaine des réactions nucléaires stellaires, pas de la chimie du vivant.

(a) Écart concernant le fer et l’aluminium :

Le Document 4 ne représente que la Terre superficielle (croûte + hydrosphère). Or, si l’on considérait la Terre entière, y compris son noyau métallique, le classement changerait radicalement :

• le fer deviendrait l’élément le plus abondant ($\approx$ 32 % de la masse totale de la Terre) ;
• l’aluminium serait bien moins présent (il est concentré dans la croûte, rare dans le manteau et absent du noyau).

L’aluminium apparaît donc devant le fer dans le Document 4 uniquement parce que le diagramme ne représente pas le noyau terrestre, qui est pourtant la principale réserve de fer de la planète.

(b) Écart concernant l’hydrogène :

Le Document 4 indique 0,9 % pour l’hydrogène car il s’agit d’une fraction massique. Or :

• un atome d’hydrogène est 16 fois plus léger qu’un atome d’oxygène ;
• l’hydrogène est principalement présent dans l’eau ($\ce{H2O}$) ;
• si l’on comptait les atomes plutôt que la masse, l’hydrogène représenterait environ 13 % des atomes de l’enveloppe superficielle (contre 1 % en masse).

L’hydrogène est donc sous-représenté en masse à cause de sa très faible masse atomique.

Calcul du pourcentage massique d’hydrogène dans l’eau :

Soit $m_H$ la masse d’un atome d’hydrogène. La masse d’un atome d’oxygène est $m_O = 16 \times m_H$.

Dans une molécule d’eau $\ce{H2O}$ :

• masse des 2 atomes d’hydrogène : $2 \times m_H$ ;
• masse de l’atome d’oxygène : $16 \times m_H$ ;
• masse totale de la molécule : $2m_H + 16m_H = 18m_H$.

Le pourcentage massique d’hydrogène est :

$\frac{2m_H}{18m_H} = \frac{2}{18} = \frac{1}{9} \approx 0{,}111 = \textbf{11{,}1\,\%}$

Lien avec la question 6 :

Ce calcul montre que même si l’hydrogène est deux fois plus nombreux que l’oxygène dans l’eau (2 atomes contre 1), il ne représente qu’environ 11 % de la masse car chaque atome d’hydrogène est 16 fois plus léger.

Cela explique pourquoi l’hydrogène semble peu abondant (0,9 %) dans le diagramme de la Terre (Document 4) qui représente des fractions massiques, alors qu’il représente environ 13 % des atomes de l’enveloppe superficielle (principalement dans l’eau).

Explication de la rareté de l’hélium dans l’atmosphère :

L’hélium est un gaz très léger (masse atomique = 4) et inerte chimiquement (gaz noble). Dans l’atmosphère terrestre :

• les atomes d’hélium situés dans les couches supérieures de l’atmosphère ont une vitesse d’agitation thermique suffisante pour s’échapper de l’attraction terrestre ;
• l’hélium ne forme pas de composés chimiques stables qui pourraient le retenir dans l’atmosphère ou la surface terrestre.

Ainsi, l’hélium produit sur Terre s’échappe progressivement vers l’espace.

Nature des noyaux du sous-sol :

Le fait que l’hélium soit produit par désintégration radioactive dans les roches suggère que le sous-sol terrestre contient des noyaux radioactifs lourds, tels que :

• l’uranium ($\ce{^{238}U}$, $\ce{^{235}U}$) ;
• le thorium ($\ce{^{232}Th}$).

Ces noyaux se désintègrent en émettant des particules alpha, qui sont des noyaux d’hélium ($\ce{^{4}_{2}He}$). L’hélium ainsi produit s’accumule dans les roches poreuses et peut être piégé dans des gisements de gaz naturel.