Skip to main content
Global

21.E : Chimie nucléaire (exercices)

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    194020

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    21.2 : Structure et stabilité nucléaires

    Q21.2.1

    Écrivez les isotopes suivants sous forme de trait d'union (par exemple, « carbone-14 »)

    1. \(\ce{^{24}_{11}Na}\)
    2. \(\ce{^{29}_{13}Al}\)
    3. \(\ce{^{73}_{36}Kr}\)
    4. \(\ce{^{194}_{77}Ir}\)

    Q21.2.2

    Écrivez les isotopes suivants en notation nucléide (par exemple, "\(\ce{^{14}_6C}\)«)

    1. oxygène-14
    2. cuivre-70
    3. tantale 175
    4. francium-217

    Q21.2.3

    Pour les isotopes suivants pour lesquels des informations sont manquantes, complétez les informations manquantes pour compléter la notation

    1. \(\ce{^{34}_{14}X}\)
    2. \(\ce{^{36}_P}\)
    3. \(\ce{^{57}_{X}Mn}\)
    4. \(\ce{^{121}_{56}X}\)

    Q21.2.4

    Pour chacun des isotopes de la question 21.2.3, déterminez le nombre de protons, de neutrons et d'électrons dans un atome neutre de l'isotope.

    Q21.2.5

    Écrivez la notation des nucléides, y compris la charge s'il y a lieu, pour les atomes présentant les caractéristiques suivantes :

    1. 25 protons, 20 neutrons, 24 électrons
    2. 45 protons, 24 neutrons, 43 électrons
    3. 53 protons, 89 neutrons, 54 électrons
    4. 97 protons, 146 neutrons, 97 électrons

    Q21.2.6

    Calculez la densité du\(\ce{^{24}_{12}Mg}\) noyau en g/mL, en supposant qu'il a un diamètre nucléaire typique de 1 × 10 —13 cm et qu'il est de forme sphérique.

    Q21.2.7

    Quelles sont les deux principales différences entre les réactions nucléaires et les changements chimiques ordinaires ?

    Q21.2.8

    La masse de l'atome\(\ce{^{23}_{11}Na}\) est de 22,9898 amu.

    1. Calculez son énergie de liaison par atome en millions d'électronvolts.
    2. Calculez son énergie de liaison par nucléon.

    Q21.2.9

    Lequel des noyaux suivants se situe dans la bande de stabilité ?

    1. chlore-37
    2. calcium 40
    3. 204 Bi
    4. 56 Fé
    5. 206 livres
    6. 211 livres
    7. 222 Rn
    8. carbone 14

    Q21.2.10

    Lequel des noyaux suivants se situe dans la bande de stabilité ?

    1. argon-40
    2. oxygène-16
    3. 122 Bar
    4. 58 Non
    5. 205 TL
    6. 210 TL
    7. 226 Ra
    8. magnésium-24

    21.3 : Équations nucléaires

    Q21.3.1

    Rédigez une brève description ou une définition de chacun des éléments suivants :

    1. nucléon
    2. particule α
    3. particule β
    4. positon
    5. rayon γ
    6. nucléide
    7. numéro de masse
    8. numéro atomique

    Q21.3.2

    Parmi les différentes particules (particules α, particules β, etc.) qui peuvent être produites lors d'une réaction nucléaire, lesquelles sont réellement des noyaux ?

    Q21.3.3

    Complétez chacune des équations suivantes en ajoutant les espèces manquantes :

    1. \(\ce{^{27}_{13}Al + ^4_2He⟶\:? + ^1_0n}\)
    2. \(\ce{^{239}_{94}Pu +\, ? ⟶ ^{242}_{96}Cm + ^1_0n}\)
    3. \(\ce{^{14}_7N + ^4_2He⟶\:? + ^1_1H}\)
    4. \(\ce{^{235}_{92}U⟶\:? + ^{135}_{55}Cs + 4^1_0n}\)

    Q21.3.4

    Complétez chacune des équations suivantes :

    1. \(\ce{^7_3Li +\, ?⟶2^4_2He}\)
    2. \(\ce{^{14}_6C⟶ ^{14}_7N +\, ?}\)
    3. \(\ce{^{27}_{13}Al + ^4_2He⟶\,? + ^1_0n}\)
    4. \(\ce{^{250}_{96}Cm ⟶\, ? + ^{98}_{38}Sr + 4^1_0n}\)

    Q21.3.5

    Écrivez une équation équilibrée pour chacune des réactions nucléaires suivantes :

    1. la production de 17 O à partir de 14 N par bombardement de particules α
    2. la production de 14 C à partir de 14 N par bombardement neutronique
    3. la production de 233 Th à partir de 232 Th par bombardement neutronique
    4. la production de 239 U à partir de 238 U par\(\ce{^2_1H}\) bombardement

    Q21.3.6

    Le technétium-99 est préparé à partir de 98 Mo. Le molybdène 98 se combine à un neutron pour donner du molybdène 99, un isotope instable qui émet une particule β pour produire une forme excitée de technétium-99, représentée par 99 Tc *. Ce noyau excité se détend vers l'état fondamental, représenté par 99 Tc, en émettant un rayon γ. L'état fondamental de 99 Tc émet alors une particule β. Écrivez les équations pour chacune de ces réactions nucléaires.

    Q21.3.7

    La masse de l'atome\(\ce{^{19}_9F}\) est de 18,99840 amu.

    1. Calculez son énergie de liaison par atome en millions d'électronvolts.
    2. Calculez son énergie de liaison par nucléon.

    Q21.3.8

    Pour la réaction\(\ce{^{14}_6C ⟶ ^{14}_7N +\, ?}\), si 100,0 g de carbone réagissent, quel volume d'azote gazeux (N 2) est produit à 273 K et 1 atm ?

    21.4 : Désintégration radioactive

    Q21.4.1

    Quels sont les types de rayonnements émis par les noyaux des éléments radioactifs ?

    Q21.4.2

    Quels changements se produisent dans le numéro atomique et la masse d'un noyau au cours de chacun des scénarios de désintégration suivants ?

    1. une particule α est émise
    2. une particule β est émise
    3. un rayonnement γ est émis
    4. un positron est émis
    5. un électron est capturé

    Q21.4.3

    Quelle est la modification du noyau résultant des scénarios de désintégration suivants ?

    1. émission d'une particule β
    2. émission d'une particule β +
    3. capture d'un électron

    Q21.4.4

    De nombreux nucléides dont le numéro atomique est supérieur à 83 se désintègrent par des processus tels que l'émission d'électrons. Expliquez l'observation selon laquelle les émissions de ces nucléides instables incluent également normalement des particules α.

    Q21.4.5

    Pourquoi la capture d'électrons s'accompagne-t-elle de l'émission d'un rayon X ?

    Q21.4.6

    Expliquez comment les nucléides lourds instables (numéro atomique > 83) peuvent se décomposer pour former des nucléides plus stables (a) s'ils se situent en dessous de la bande de stabilité et (b) s'ils se situent au-dessus de la bande de stabilité.

    Q21.4.7

    Lequel des noyaux suivants est le plus susceptible de se désintégrer par émission de positons ? Expliquez votre choix.

    1. chrome-53
    2. manganèse-51
    3. fer-59

    Q21.4.8

    Les noyaux suivants ne se situent pas dans la bande de stabilité. Comment pourraient-ils se dégrader ? Expliquez votre réponse.

    1. \(\ce{^{34}_{15}P}\)
    2. \(\ce{^{239}_{92}U}\)
    3. \(\ce{^{38}_{20}Ca}\)
    4. \(\ce{^3_1H}\)
    5. \(\ce{^{245}_{94}Pu}\)

    Q21.4.9

    Les noyaux suivants ne se situent pas dans la bande de stabilité. Comment pourraient-ils se dégrader ?

    1. \(\ce{^{28}_{15}P}\)
    2. \(\ce{^{235}_{92}U}\)
    3. \(\ce{^{37}{20}Ca}\)
    4. \(\ce{^9_3Li}\)
    5. \(\ce{^{245}_{96}Cm}\)

    Q21.4.10

    Prédisez par quel (s) mode (s) de désintégration radioactive spontanée chacun des isotopes instables suivants pourrait se produire :

    1. \(\ce{^6_2He}\)
    2. \(\ce{^{60}_{30}Zn}\)
    3. \(\ce{^{235}_{91}Pa}\)
    4. \(\ce{^{241}_{94}Np}\)
    5. 18 F
    6. 129 Ba
    7. 237 Pu

    Q21.4.11

    Écrivez une réaction nucléaire pour chaque étape de la formation\(\ce{^{218}_{84}Po}\) de la forme\(\ce{^{238}_{92}U}\), qui se déroule par une série de réactions de désintégration impliquant l'émission progressive de particules α, β, β, α, α, α, α, α, α, α, α, α, α, dans cet ordre.

    Q21.4.12

    Écrivez une réaction nucléaire pour chaque étape de la formation\(\ce{^{208}_{82}Pb}\) de la forme\(\ce{^{228}_{90}Th}\), qui se déroule par une série de réactions de désintégration impliquant l'émission progressive de particules α, α, α, α, β, β, α, α, dans cet ordre.

    Q21.4.13

    Définissez le terme demi-vie et illustrez-le par un exemple.

    Q21.4.14

    Un échantillon de 1,00 × 10 —6 g de nobelium a une demi-vie de 55 secondes après sa formation.\(\ce{^{254}_{102}No}\) Quel est le pourcentage de\(\ce{^{254}_{102}No}\) personnes qui restent aux heures suivantes ?

    1. 5,0 min après sa formation
    2. 1,0 h après sa formation

    Q21.4.15

    Le 239 Pu est un sous-produit de déchets nucléaires dont la demi-vie est de 24 000 ans. Quelle fraction du 239 Pu présent aujourd'hui sera présente dans 1 000 ans ?

    Q21.4.16

    L'isotope 208 Tl subit une désintégration β avec une demi-vie de 3,1 min.

    1. Quel isotope est produit par la désintégration ?
    2. Combien de temps faudra-t-il pour que 99,0 % d'un échantillon de 208 Tl pur se désintègre ?
    3. Quel pourcentage d'un échantillon de 208 Tl pur reste intact après 1,0 h ?

    Q21.4.17

    Si 1 000 g de\(\ce{^{226}_{88}Ra}\) produit 0,0001 ml de gaz\(\ce{^{222}_{86}Rn}\) à la température et à la pression standard (STP) en 24 h, quelle est la demi-vie de 226 Ra en années ?

    Q21.4.18

    L'isotope\(\ce{^{90}_{38}Sr}\) est l'une des espèces extrêmement dangereuses présentes dans les résidus de la production d'énergie nucléaire. Le strontium dans un échantillon de 0,500 g diminue à 0,393 g en 10,0 ans. Calculez la demi-vie.

    Q21.4.19

    Le technétium-99 est souvent utilisé pour évaluer les lésions cardiaques, hépatiques et pulmonaires, car certains composés du technétium sont absorbés par les tissus endommagés. Sa demi-vie est de 6,0 h. Calculez la constante de vitesse pour la désintégration de\(\ce{^{99}_{43}Tc}\).

    Q21.4.20

    Quel est l'âge de la peau de primate momifiée qui contient 8,25 % de la quantité initiale de 14 °C ?

    Q21.4.21

    Un échantillon de roche contenait 8,23 mg de rubidium-87 et 0,47 mg de strontium-87.

    1. Calculez l'âge de la roche si la demi-vie de désintégration du rubidium par émission β est de 4,7 × 10 10 y.
    2. Si une partie\(\ce{^{87}_{38}Sr}\) était initialement présente dans la roche, la roche serait-elle plus jeune, plus âgée ou aurait-elle le même âge que l'âge calculé en (a) ? Expliquez votre réponse.

    Q21.4.22

    Une étude en laboratoire montre qu'un échantillon de minerai d'uranium contient 5,37 mg\(\ce{^{238}_{92}U}\) et 2,52 mg de\(\ce{^{206}_{82}Pb}\). Calculez l'âge du minerai. La demi-vie de\(\ce{^{238}_{92}U}\) est de 4,5 × 10 9 ans.

    Q21.4.23

    Glenn Seaborg et ses associés ont détecté du plutonium à l'état de traces dans des gisements naturels d'uranium en 1941. Ils ont suggéré que la source de ce 239 Pu était la capture de neutrons par 238 noyaux U. Pourquoi ce plutonium n'a-t-il pas été piégé au moment de la formation du système solaire, il y a 4,7 × 10, il y a 9 ans ?

    Q21.4.24

    Un\(\ce{^7_4Be}\) atome (masse = 7,0169 amu) se désintègre en\(\ce{^7_3Li}\) atome (masse = 7,0160 amu) par capture d'électrons. Quelle quantité d'énergie (en millions d'électronvolts, MeV) est produite par cette réaction ?

    Q21.4.25

    Un\(\ce{^8_5B}\) atome (masse = 8,0246 amu) se désintègre en\(\ce{^8_4Be}\) atome (masse = 8,0053 amu) par perte d'une particule β + (masse = 0,00055 amu) ou par capture d'électrons. Quelle quantité d'énergie (en millions d'électronvolts) est produite par cette réaction ?

    Q21.4.26

    Des isotopes tels que le 26 Al (demi-vie : 7,2 × 10 5 ans) auraient été présents dans notre système solaire au moment de sa formation, mais se sont depuis désintégrés et sont maintenant appelés nucléides éteints.

    1. 26 L'Al se désintègre par émission de β + ou capture d'électrons. Écrivez les équations de ces deux transformations nucléaires.
    2. La Terre s'est formée il y a environ 4,7 × 10 9 (4,7 milliards) d'années. Quel âge avait la Terre lorsque 99,999999 % des 26 Al présents à l'origine s'étaient décomposés ?

    Q21.4.27

    Écrivez une équation équilibrée pour chacune des réactions nucléaires suivantes :

    1. le bismuth-212 se désintègre en polonium-212
    2. le béryllium-8 et un positron sont produits par la désintégration d'un noyau instable
    3. le neptunium 239 se forme à la suite de la réaction de l'uranium 238 avec un neutron, puis se transforme spontanément en plutonium 239
    4. le strontium-90 se désintègre en yttrium-90

    Q21.4.28

    Écrivez une équation équilibrée pour chacune des réactions nucléaires suivantes :

    1. mercure-180 se désintègre en platine-176
    2. le zirconium-90 et un électron sont produits par la désintégration d'un noyau instable
    3. le thorium 232 se désintègre et produit une particule alpha et un noyau de radium 228, qui se désintègre en actinium 228 par désintégration bêta
    4. le néon-19 se désintègre en fluor-19

    21.5 : Transmutation et énergie nucléaire

    Q21.5.1

    Écrivez l'équation nucléaire équilibrée pour la production des éléments transuraniens suivants :

    1. berkélium-244, produit par la réaction de l'Am-241 et du He-4
    2. fermium-254, produit par réaction du Pu-239 avec un grand nombre de neutrons
    3. lawrencium-257, produit par la réaction du Cf-250 et du B-11
    4. dubnium-260, produit par la réaction du Cf-249 et du N-15

    Q21.5.2

    En quoi la fission nucléaire diffère-t-elle de la fusion nucléaire ? Pourquoi ces deux processus sont-ils exothermiques ?

    Q21.5.3

    La fusion et la fission sont toutes deux des réactions nucléaires. Pourquoi une température très élevée est-elle requise pour la fusion, mais pas pour la fission ?

    Q21.5.4

    Citez les conditions nécessaires pour qu'une réaction nucléaire en chaîne ait lieu. Expliquez comment il peut être contrôlé pour produire de l'énergie, mais pas pour produire une explosion.

    Q21.5.5

    Décrire les composants d'un réacteur nucléaire.

    Q21.5.6

    Dans la pratique habituelle, un modérateur et des barres de commande sont nécessaires pour opérer une réaction nucléaire en chaîne en toute sécurité à des fins de production d'énergie. Citez la fonction de chacun et expliquez pourquoi les deux sont nécessaires.

    Q21.5.7

    Décrivez comment l'énergie potentielle de l'uranium est convertie en énergie électrique dans une centrale nucléaire.

    Q21.5.8

    La masse d'un atome d'hydrogène\(\ce{(^1_1H)}\) est de 1,007825 amu ; celle d'un atome de tritium\(\ce{(^3_1H)}\) est de 3,01605 amu ; et celle d'une particule α est de 4,00150 amu. Quelle quantité d'énergie en kilojoules par mole\(\ce{^4_2He}\) produite est libérée par la réaction de fusion suivante :\(\ce{^1_1H + ^3_1H ⟶ ^4_2He}\).

    21.6 : Utilisations des radio-isotopes

    Q21.6.1

    Comment utiliser un nucléide radioactif pour montrer que l'équilibre :

    \[\ce{AgCl}(s)⇌\ce{Ag+}(aq)+\ce{Cl-}(aq)\]

    est un équilibre dynamique ?

    Q21.6.2

    Le technétium 99m a une demi-vie de 6,01 heures. Si un patient ayant reçu une injection de technétium-99m peut quitter l'hôpital en toute sécurité une fois que 75 % de la dose a diminué, quand le patient est-il autorisé à quitter l'hôpital ?

    Q21.6.3

    L'iode qui pénètre dans l'organisme est stocké dans la glande thyroïde d'où il est libéré pour contrôler la croissance et le métabolisme. La thyroïde peut être imagée si de l'iode 131 est injecté dans le corps. À fortes doses, l'I-131 est également utilisé pour traiter le cancer de la thyroïde. L'I-131 a une demi-vie de 8,70 jours et se désintègre par émission de β −.

    1. Ecrivez une équation nucléaire pour la désintégration.
    2. Combien de temps faudra-t-il pour que 95,0 % d'une dose d'I-131 se désintègre ?

    21.7 : Effets biologiques des rayonnements

    Q21.7.1

    Si un hôpital entrepose des radio-isotopes, quel est le confinement minimum requis pour se protéger contre :

    1. cobalt-60 (un puissant émetteur γ utilisé pour l'irradiation)
    2. molybdène 99 (un émetteur bêta utilisé pour produire du technétium-99 pour l'imagerie)

    Q21.7.2

    D'après ce que l'on sait de la méthode de désintégration primaire du radon 222, pourquoi l'inhalation est-elle si dangereuse ?

    Q21.7.3

    Étant donné que les échantillons d'uranium 232 (\(t_{1/2} = \mathrm{68.9 \;y}\)) et d'uranium 233 (\(t_{1/2} = \mathrm{159,200\; y}\)) ont la même masse, lequel aurait la plus grande activité et pourquoi ?

    Q21.7.4

    Un scientifique étudie un échantillon de 2,234 g de thorium-229 (t 1/2 = 7 340 y) en laboratoire.

    1. Quelle est son activité à Bq ?
    2. Quelle est son activité à Ci ?

    Q21.7.5

    Étant donné les spécimens de néon-24 (\(t_{1/2} = \mathrm{3.38\; min}\)) et de bismuth-211 (\(t_{1/2} = \mathrm{2.14\; min}\)) de masse égale, lequel aurait la plus grande activité et pourquoi ?