chapitre 2 L’organisation chimique fondamentale de la vie 35
possible de déterminer la quantité de neutrons en soustrayant
le numéro atomique du nombre de masse. L’atome d’hélium,
4
2 He, possède deux neutrons. Pour un atome de sodium (Na) :
Nombre de masse 5 nombre 1
nombre
de protons
de neutrons
5 23 pour le sodium
23
11 Na
Numéro atomique 5 nombre de protons
5 nombre d’électrons dans un atome neutre
5 11 pour le sodium
Nombre de neutrons 5 nombre 2 numéro
de masse
atomique
5 23 2 11 5 12 pour le sodium
L’atome le plus simple est l’hydrogène (
1
1 H) ; il ne possède
aucun neutron. Il est constitué d’un seul proton et d’un seul
électron.
Puisque la masse des électrons est négligeable, presque
toute la masse de l’atome se concentre dans le noyau et, par
ailleurs, comme les neutrons et les protons ont chacun une
masse très près de 1 dalton, le nombre de masse est une
approximation de la masse atomique moyenne. La masse
atomique moyenne nous indique, à peu de chose près, la
masse de l’atome entier. Ainsi, la masse atomique du sodium
(
23
11 Na) est de 23 daltons (22,989 8 daltons exactement).
Les isotopes
Tous les atomes d’un élément donné possèdent le même
nombre de protons (sinon, il ne s’agirait pas du même élément), mais certains ont plus de neutrons que d’autres et, par
conséquent, ont une masse plus élevée. Les différentes formes
atomiques d’un élément s’appellent isotopes. Dans la nature,
où il existe plus de 300 isotopes différents, on trouve les éléments sous forme de mélange d’isotopes. Prenons, par exemple,
le carbone, dont le numéro atomique est 6. Il existe trois isotopes de cet élément. Le plus courant est le carbone 12 (
12
6 C) ;
il constitue environ 99 % du carbone naturel et possède six
neutrons. La majeure partie du 1 % restant consiste en atomes
de l’isotope
13
6 C, qui a sept neutrons. Quant au troisième isotope, le
14
6 C, qui est encore plus rare, il a huit neutrons. Même
si leurs masses sont différentes, les isotopes d’un élément se
comportent de la même façon dans les réactions chimiques.
(Le nombre généralement attribué comme masse atomique à
un élément, tel que 22,989 8 daltons pour le sodium, est en
fait une moyenne des masses atomiques de tous les isotopes
naturels de cet élément.)
Les isotopes
12
C et
13
C sont stables, c’est-à-dire que leur
noyau n’a pas tendance à perdre de particules. Par contre,
l’isotope
14
C est instable, ou radioactif. Un radio-isotope
est un isotope dont le noyau se désintègre spontanément, ce
qui libère des particules et de l’énergie. Lorsque cela se produit
et que le nombre de protons présents dans le noyau se modifie, l’atome se transforme en un atome d’un autre élément.
Par exemple, lorsque le carbone radioactif se désintègre, il se
transforme en azote.
Les radio-isotopes ont de nombreuses applications pratiques
en biologie. Au chapitre 25, vous apprendrez comment les
chercheurs étudient la quantité de radioactivité contenue
dans les fossiles pour en connaître l’âge. Comme l’illustre la
figure 2.6, les radio-isotopes servent également de traceurs
permettant de suivre le cheminement des atomes dans le
métabolisme (soit l’ensemble des réactions chimiques qui
ont lieu dans un organisme). Les cellules utilisent les isotopes
radioactifs d’un élément de la même manière que les isotopes
non radioactifs ; par contre, les traceurs radioactifs peuvent
être facilement détectés.
Les traceurs radioactifs sont très utiles en médecine. Par
exemple, il est possible de diagnostiquer certaines maladies
rénales en injectant dans le sang d’une personne de petites
doses de substances contenant des radio-isotopes, puis en
mesurant la quantité de traceur excrété dans l’urine. De plus,
grâce à des techniques d’imagerie sophistiquées, comme la
tomographie par émission de positons (TEP), on peut suivre
les étapes des processus chimiques, par exemple, dans le cas
d’une excroissance cancéreuse, à mesure qu’elles se produisent
dans l’organisme (figure 2.7). Les cellules cancéreuses peuvent
aussi être détruites, en radiothérapie, par l’utilisation de
radio-isotopes (cobalt 60, par exemple).
Au-delà de leur grande utilité dans les domaines de la
recherche biologique et médicale, les rayonnements émis au
cours de la désintégration des isotopes comportent des risques,
parce qu’ils endommagent les molécules qui composent les
cellules. La gravité des lésions dépend du type et de la quantité de radiations absorbées par l’organisme. Les retombées
radioactives causées par des accidents nucléaires constituent
l’une des menaces environnementales les plus sérieuses. En
médecine, cependant, les doses de la plupart des isotopes
utilisés comportent peu de risques.
Les niveaux énergétiques des électrons
Dans la figure 2.5, qui montre deux modèles simplifiés d’un
atome, la taille du noyau est disproportionnée par rapport au
volume complet de l’atome. Si l’atome d’hélium avait la taille
d’un stade de football, le noyau ne serait pas plus gros que la
gomme à effacer d’un crayon planté au centre du terrain. De
plus, les électrons auraient l’allure de deux minuscules moucherons gravitant dans le stade. Les atomes se composent en
grande partie d’espace vide.
Même lorsque deux atomes s’approchent l’un de l’autre au
cours d’une réaction chimique, les noyaux demeurent trop
éloignés pour interagir. Ainsi, parmi les trois types de parti cules
élémentaires dont nous avons parlé, seuls les électrons participent directement aux réactions chimiques entre les atomes.
Chaque électron possède sa propre quantité d’énergie.
L’énergie est la capacité de provoquer un changement, par
exemple de produire du travail. L’énergie potentielle est
l’énergie que la matière possède grâce à sa structure ou à sa
position par rapport à d’autres objets. Par exemple, l’eau contenue dans un réservoir situé sur une colline possède de l’énergie
potentielle en raison de la hauteur à laquelle elle se trouve.
Lorsque les vannes du réservoir s’ouvrent, l’énergie se libère
et sert à produire du travail, par exemple à faire tourner une
turbine. L’eau qui arrive au pied de la colline a moins d’énergie que celle du réservoir. Or, il faut savoir que la tendance
possible de déterminer la quantité de neutrons en soustrayant
le numéro atomique du nombre de masse. L’atome d’hélium,
4
2 He, possède deux neutrons. Pour un atome de sodium (Na) :
Nombre de masse 5 nombre 1
nombre
de protons
de neutrons
5 23 pour le sodium
23
11 Na
Numéro atomique 5 nombre de protons
5 nombre d’électrons dans un atome neutre
5 11 pour le sodium
Nombre de neutrons 5 nombre 2 numéro
de masse
atomique
5 23 2 11 5 12 pour le sodium
L’atome le plus simple est l’hydrogène (
1
1 H) ; il ne possède
aucun neutron. Il est constitué d’un seul proton et d’un seul
électron.
Puisque la masse des électrons est négligeable, presque
toute la masse de l’atome se concentre dans le noyau et, par
ailleurs, comme les neutrons et les protons ont chacun une
masse très près de 1 dalton, le nombre de masse est une
approximation de la masse atomique moyenne. La masse
atomique moyenne nous indique, à peu de chose près, la
masse de l’atome entier. Ainsi, la masse atomique du sodium
(
23
11 Na) est de 23 daltons (22,989 8 daltons exactement).
Les isotopes
Tous les atomes d’un élément donné possèdent le même
nombre de protons (sinon, il ne s’agirait pas du même élément), mais certains ont plus de neutrons que d’autres et, par
conséquent, ont une masse plus élevée. Les différentes formes
atomiques d’un élément s’appellent isotopes. Dans la nature,
où il existe plus de 300 isotopes différents, on trouve les éléments sous forme de mélange d’isotopes. Prenons, par exemple,
le carbone, dont le numéro atomique est 6. Il existe trois isotopes de cet élément. Le plus courant est le carbone 12 (
12
6 C) ;
il constitue environ 99 % du carbone naturel et possède six
neutrons. La majeure partie du 1 % restant consiste en atomes
de l’isotope
13
6 C, qui a sept neutrons. Quant au troisième isotope, le
14
6 C, qui est encore plus rare, il a huit neutrons. Même
si leurs masses sont différentes, les isotopes d’un élément se
comportent de la même façon dans les réactions chimiques.
(Le nombre généralement attribué comme masse atomique à
un élément, tel que 22,989 8 daltons pour le sodium, est en
fait une moyenne des masses atomiques de tous les isotopes
naturels de cet élément.)
Les isotopes
12
C et
13
C sont stables, c’est-à-dire que leur
noyau n’a pas tendance à perdre de particules. Par contre,
l’isotope
14
C est instable, ou radioactif. Un radio-isotope
est un isotope dont le noyau se désintègre spontanément, ce
qui libère des particules et de l’énergie. Lorsque cela se produit
et que le nombre de protons présents dans le noyau se modifie, l’atome se transforme en un atome d’un autre élément.
Par exemple, lorsque le carbone radioactif se désintègre, il se
transforme en azote.
Les radio-isotopes ont de nombreuses applications pratiques
en biologie. Au chapitre 25, vous apprendrez comment les
chercheurs étudient la quantité de radioactivité contenue
dans les fossiles pour en connaître l’âge. Comme l’illustre la
figure 2.6, les radio-isotopes servent également de traceurs
permettant de suivre le cheminement des atomes dans le
métabolisme (soit l’ensemble des réactions chimiques qui
ont lieu dans un organisme). Les cellules utilisent les isotopes
radioactifs d’un élément de la même manière que les isotopes
non radioactifs ; par contre, les traceurs radioactifs peuvent
être facilement détectés.
Les traceurs radioactifs sont très utiles en médecine. Par
exemple, il est possible de diagnostiquer certaines maladies
rénales en injectant dans le sang d’une personne de petites
doses de substances contenant des radio-isotopes, puis en
mesurant la quantité de traceur excrété dans l’urine. De plus,
grâce à des techniques d’imagerie sophistiquées, comme la
tomographie par émission de positons (TEP), on peut suivre
les étapes des processus chimiques, par exemple, dans le cas
d’une excroissance cancéreuse, à mesure qu’elles se produisent
dans l’organisme (figure 2.7). Les cellules cancéreuses peuvent
aussi être détruites, en radiothérapie, par l’utilisation de
radio-isotopes (cobalt 60, par exemple).
Au-delà de leur grande utilité dans les domaines de la
recherche biologique et médicale, les rayonnements émis au
cours de la désintégration des isotopes comportent des risques,
parce qu’ils endommagent les molécules qui composent les
cellules. La gravité des lésions dépend du type et de la quantité de radiations absorbées par l’organisme. Les retombées
radioactives causées par des accidents nucléaires constituent
l’une des menaces environnementales les plus sérieuses. En
médecine, cependant, les doses de la plupart des isotopes
utilisés comportent peu de risques.
Les niveaux énergétiques des électrons
Dans la figure 2.5, qui montre deux modèles simplifiés d’un
atome, la taille du noyau est disproportionnée par rapport au
volume complet de l’atome. Si l’atome d’hélium avait la taille
d’un stade de football, le noyau ne serait pas plus gros que la
gomme à effacer d’un crayon planté au centre du terrain. De
plus, les électrons auraient l’allure de deux minuscules moucherons gravitant dans le stade. Les atomes se composent en
grande partie d’espace vide.
Même lorsque deux atomes s’approchent l’un de l’autre au
cours d’une réaction chimique, les noyaux demeurent trop
éloignés pour interagir. Ainsi, parmi les trois types de parti cules
élémentaires dont nous avons parlé, seuls les électrons participent directement aux réactions chimiques entre les atomes.
Chaque électron possède sa propre quantité d’énergie.
L’énergie est la capacité de provoquer un changement, par
exemple de produire du travail. L’énergie potentielle est
l’énergie que la matière possède grâce à sa structure ou à sa
position par rapport à d’autres objets. Par exemple, l’eau contenue dans un réservoir situé sur une colline possède de l’énergie
potentielle en raison de la hauteur à laquelle elle se trouve.
Lorsque les vannes du réservoir s’ouvrent, l’énergie se libère
et sert à produire du travail, par exemple à faire tourner une
turbine. L’eau qui arrive au pied de la colline a moins d’énergie que celle du réservoir. Or, il faut savoir que la tendance