--- title: "Les éléments dans l’Univers et sur la Terre" book: "La chimie à l’école — Années 1 à 12" subject: chemistry language: fr chapter: 21 exercises: 12 source: https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/21-les-elements-dans-lunivers-et-sur-la-terre license: CC-BY-NC-SA-4.0 credit: "One Chemistry Book, One Course (one-course.com)" --- # Chapitre 21 — Les éléments dans l’Univers et sur la Terre Le calcium de tes os, le fer de ton sang et l’oxygène que tu respires n’ont pas été fabriqués sur la Terre. Ils l’ont été au cœur d’étoiles qui ont vécu et sont mortes avant la naissance du Soleil, et ils passent depuis des milliards d’années de la roche à la mer, de la mer à la plante, de la plante à l’animal. Certains éléments sont partout, d’autres sont rares. Quels éléments composent les étoiles, la Terre, les océans — et nous-mêmes ? **Rappel.** Un [élément chimique](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/16-a-linterieur-de-latome#def-g9-inside-the-atom-element) est l’ensemble des [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) qui ont le même [numéro atomique](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/16-a-linterieur-de-latome#def-g9-inside-the-atom-atomic-number) $Z$ ; la masse d’un [atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) est proche de $A \times 1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}$, où $A$ est son [nombre de masse](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/16-a-linterieur-de-latome#def-g9-inside-the-atom-atomic-number) ([Chapitre 16](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/16-a-linterieur-de-latome#ch-g9-inside-the-atom)). Le [tableau périodique](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/20-le-tableau-periodique-un-premier-regard#def-g9-periodic-table-first-look-periodic-table) range les 118 éléments par [numéro atomique](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/16-a-linterieur-de-latome#def-g9-inside-the-atom-atomic-number) ([Chapitre 20](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/20-le-tableau-periodique-un-premier-regard#ch-g9-periodic-table-first-look)). L’[air](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/4-lair-un-melange-de-gaz#def-g4-air-a-mixture-of-gases-air) contient environ quatre cinquièmes de diazote et un cinquième de dioxygène ([Chapitre 4](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/4-lair-un-melange-de-gaz#ch-g4-air-a-mixture-of-gases)). ## 21.1 Les éléments des étoiles **Définition 21.1 (Abondance).** L’*abondance* d’un élément dans un corps — une étoile, la croûte terrestre, l’océan, un être vivant — est sa part de la masse totale, en général donnée en pourcentage. **Proposition 21.2 (Le Soleil, c’est de l’hydrogène et de l’hélium).** La surface du Soleil est constituée, en masse, d’environ $74\,\%$ d’hydrogène et de $25\,\%$ d’hélium ; tous les autres éléments réunis n’en représentent qu’environ $1.3\,\%$. La plus grande partie de la matière visible de l’Univers a une composition semblable : de l’hydrogène et de l’hélium, avec une pincée de tout le reste. **Proposition 21.3 (Des éléments fabriqués dans les étoiles).** L’hydrogène et la plus grande partie de l’hélium se sont formés dans les premières minutes de l’Univers. Presque tous les éléments plus lourds — le carbone, l’oxygène, le fer, l’or — ont été fabriqués plus tard, au cœur des étoiles, puis dispersés dans l’espace quand ces étoiles ont explosé. De nouvelles étoiles et de nouvelles planètes se sont formées à partir de cette poussière enrichie. La façon dont les étoiles s’y prennent est racontée dans le livre de physique. ![La nébuleuse du Crabe, le nuage laissé par une étoile qui a explosé il y a près de mille ans, et qui répand de nouveaux éléments dans l’espace (NASA, ESA, J. Hester et A. Loll).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g9-elements-universe-earth/img-8fcb8009e37d.jpg) *La nébuleuse du Crabe, le nuage laissé par une étoile qui a explosé il y a près de mille ans, et qui répand de nouveaux éléments dans l’espace (NASA, ESA, J. Hester et A. Loll).* ## 21.2 La Terre **Proposition 21.4 (La croûte terrestre).** La fine peau rocheuse de la Terre, la croûte, est faite en masse de presque la moitié d’oxygène et de plus d’un quart de silicium : les roches et le sable sont surtout des oxydes de silicium et de quelques métaux. Huit éléments — l’oxygène, le silicium, l’aluminium, le fer, le calcium, le sodium, le potassium, le magnésium — en représentent environ $99\,\%$. L’hydrogène et l’hélium, si répandus dans les étoiles, y sont rares : ces gaz légers se sont échappés de la Terre jeune. **Remarque 21.5 (L’intérieur de la Terre).** La croûte n’est pas toute la Terre. Le fer, lourd, s’est enfoncé vers le centre quand la jeune Terre était en fusion : le noyau terrestre est surtout fait de fer, avec un peu de nickel. **Proposition 21.6 (Les océans et l’air).** L’eau de mer est surtout de l’eau — de l’hydrogène et de l’oxygène —, avec environ $3.5\,\%$ en masse de sels dissous. Parmi les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) dissous, les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) chlorure et sodium représentent environ $85\,\%$, les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) magnésium et sulfate encore $10\,\%$. L’[air](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/4-lair-un-melange-de-gaz#def-g4-air-a-mixture-of-gases-air) est surtout fait de diazote et de dioxygène. ![Abondances en masse. À gauche : les huit principaux éléments de la croûte terrestre. À droite : les six principaux éléments du corps d’un adulte mince (calculés à partir d’estimations du nombre d’atomes).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g9-elements-universe-earth/fig-554d139da539.svg) ![Abondances en masse. À gauche : les huit principaux éléments de la croûte terrestre. À droite : les six principaux éléments du corps d’un adulte mince (calculés à partir d’estimations du nombre d’atomes).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g9-elements-universe-earth/fig-4dfb6f36c46d.svg) *[Abondances](#def-g9-elements-universe-earth-abundance) en masse. À gauche : les huit principaux éléments de la croûte terrestre. À droite : les six principaux éléments du corps d’un adulte mince (calculés à partir d’estimations du nombre d’[atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom)).* ## 21.3 Le corps humain **Proposition 21.7 (Ce dont nous sommes faits).** En masse, le corps d’un adulte mince contient environ $61\,\%$ d’oxygène, $23\,\%$ de carbone et $10\,\%$ d’hydrogène — surtout dans l’eau et dans les [molécules](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-molecule) du vivant —, puis de l’azote, du calcium (dans les os et les dents) et du phosphore. Si l’on compte en [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) plutôt qu’en masse, l’ordre change : il y a dans un corps plus d’[atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’hydrogène que de tous les autres [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) réunis, car les [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’hydrogène sont très légers. Un corps de $70\,\mathrm{kg}$ contient environ $7 \times 10^{27}$ [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom). **Méthode 21.8 (Lire un diagramme d’abondance).** 1. Vérifier ce qui est mesuré : la masse (le plus souvent) ou le nombre d’ [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) . 2. Lire la part de chaque élément ; additionner celles des principaux pour voir quelle part ils couvrent. 3. Pour comparer deux corps, chercher les éléments communs aux deux et ceux qu’on ne trouve que dans l’un. L’oxygène arrive en tête des deux diagrammes de ce chapitre : c’est l’élément le plus répandu en masse dans la croûte et dans le corps humain. ## 21.4 Les mêmes atomes, recyclés **Exemple 21.9 (Le voyage d’un atome de carbone).** Un [atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) de carbone fabriqué il y a longtemps dans une étoile peut rester des millions d’années dans un calcaire, être libéré sous forme de dioxyde de carbone par un volcan, être capté par une feuille, entrer dans un sucre d’un fruit, passer dans un animal qui mange ce fruit, et être rejeté de nouveau sous forme de dioxyde de carbone. Les [transformations chimiques](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/6-les-transformations-sans-retour#def-g5-irreversible-changes-chemical-change) ne détruisent pas les [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) : elles se les transmettent. ![Un atome de carbone passe de la roche à l’air, de l’air à la feuille, de la feuille à l’animal, puis revient dans l’air : l’atome lui-même n’est jamais détruit.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g9-elements-universe-earth/fig-5c084ef32a6c.svg) *Un [atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) de carbone passe de la roche à l’[air](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/4-lair-un-melange-de-gaz#def-g4-air-a-mixture-of-gases-air), de l’[air](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/4-lair-un-melange-de-gaz#def-g4-air-a-mixture-of-gases-air) à la feuille, de la feuille à l’animal, puis revient dans l’[air](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/4-lair-un-melange-de-gaz#def-g4-air-a-mixture-of-gases-air) : l’[atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) lui-même n’est jamais détruit.* ![Roche, mer et air : trois mélanges très différents des mêmes éléments.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g9-elements-universe-earth/img-8ae99578c545.jpg) *Roche, mer et [air](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/4-lair-un-melange-de-gaz#def-g4-air-a-mixture-of-gases-air) : trois [mélanges](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/8-corps-purs-et-melanges#def-g6-pure-substances-and-mixtures-mixture) très différents des mêmes éléments.* ## 21.5 Exercices **Exercice 21.1 ★.** Quels sont les deux éléments qui forment presque tout le Soleil ? **Solution de Exercice 21.1.** L’hydrogène (environ $74\,\%$) et l’hélium (environ $25\,\%$). **Exercice 21.2 ★.** Quel est l’élément le plus abondant dans la croûte terrestre ? Dans le corps humain (en masse) ? **Solution de Exercice 21.2.** L’oxygène dans les deux cas. **Exercice 21.3 ★.** Où la plupart des éléments plus lourds que l’hélium ont-ils été fabriqués ? **Solution de Exercice 21.3.** Au cœur des étoiles, et lors de leurs explosions. **Exercice 21.4 ★.** Quel pourcentage de la masse de l’eau de mer est du sel dissous ? **Solution de Exercice 21.4.** Environ $3.5\,\%$. **Exercice 21.5 ★★.** Sur le diagramme de la croûte, additionne les parts de l’oxygène et du silicium. Quelle fraction de la croûte cela représente-t-il, à peu près ? **Solution de Exercice 21.5.** $46.6 + 27.7 = 74.3\,\%$ : environ les trois quarts. **Exercice 21.6 ★★.** Pourquoi y a-t-il si peu d’hydrogène et d’hélium dans la croûte terrestre, alors que le Soleil en est presque entièrement fait ? **Solution de Exercice 21.6.** Ce sont des gaz très légers : ils se sont échappés de la Terre jeune vers l’espace (et l’hélium ne forme aucun composé qui aurait pu le retenir dans les roches). **Exercice 21.7 ★★.** Quelle masse de carbone y a-t-il dans un corps de $70\,\mathrm{kg}$ qui contient $23\,\%$ de carbone ? **Solution de Exercice 21.7.** $0.23 \times 70 = 16.1\,\mathrm{kg}$. **Exercice 21.8 ★★.** Pourquoi l’oxygène est-il l’élément le plus répandu dans le corps en masse, alors que l’hydrogène est le plus répandu en nombre d’[atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) ? **Solution de Exercice 21.8.** Les [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’oxygène sont 16 fois plus lourds que les [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’hydrogène : même moins nombreux, ils pèsent davantage. **Exercice 21.9 ★★.** Un bloc de granite de $1000\,\mathrm{kg}$ est un morceau typique de la croûte. D’après le diagramme, quelle masse d’aluminium contient-il, environ ? **Solution de Exercice 21.9.** Environ $0.081 \times 1000 = 81\,\mathrm{kg}$ d’aluminium. **Exercice 21.10 ★★.** Quels éléments figurent parmi les principaux éléments à la fois de la croûte et du corps humain ? **Solution de Exercice 21.10.** L’oxygène et le calcium (et, au-delà des huit principaux éléments de la croûte, l’hydrogène, le carbone et le phosphore y sont présents en petites quantités). **Exercice 21.11 ★★★.** Un corps de $70\,\mathrm{kg}$ contient environ $1.06\,\mathrm{kg}$ de calcium. Calcule la masse d’un [atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) de calcium ($A = 40$), puis le nombre d’[atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) de calcium. Écris-le en écriture scientifique. **Solution de Exercice 21.11.** $40 \times 1.67 \times 10^{-27} = 6.68 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}$ ; $1.06 / 6.68 \times 10^{-26} \approx 1.6 \times 10^{25}$ [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) de calcium. **Exercice 21.12 ★★★.** Les [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) de ton corps ont tous fait partie d’autres choses auparavant. Utilise le voyage d’un [atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) de carbone pour expliquer pourquoi le nombre total d’[atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) de carbone sur la Terre ne change presque pas. **Solution de Exercice 21.12.** Les [transformations chimiques](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/6-les-transformations-sans-retour#def-g5-irreversible-changes-chemical-change) ne créent ni ne détruisent les [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) : ceux-ci passent seulement d’un composé à un autre (roche, gaz, sucre, corps vivant). Les [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) de carbone de la Terre servent encore et encore. ## 21.6 Problème : combien d’atomes suis-je ? **Problème 21.1.** Problème du week-end — d’un diagramme d’abondance au nombre d’atomes d’oxygène d’un corps humain Un adulte mince de $70\,\mathrm{kg}$ contient, en masse, environ $61\,\%$ d’oxygène, $23\,\%$ de carbone et $10\,\%$ d’hydrogène. On prendra pour masse d’un [nucléon](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/16-a-linterieur-de-latome#def-g9-inside-the-atom-proton) $1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}$ ; un [atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’oxygène compte 16 [nucléons](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/16-a-linterieur-de-latome#def-g9-inside-the-atom-proton), un [atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) de carbone 12, un [atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’hydrogène 1. On néglige les [électrons](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/16-a-linterieur-de-latome#def-g9-inside-the-atom-nucleus). **Partie I — Les masses.** 1. Calcule la masse d’oxygène du corps. 2. Calcule la masse de carbone et celle d’hydrogène. 3. Quel pourcentage de la masse ces trois éléments représentent-ils ensemble ? 4. La plus grande partie de cet oxygène et de cet hydrogène se trouve dans un même composé. Lequel ? **Partie II — Un seul [atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom).** 5. Calcule la masse d’un [atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’oxygène. 6. Calcule la masse d’un [atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) de carbone et celle d’un [atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’hydrogène. 7. Combien d’ [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’hydrogène pèsent autant qu’un [atome](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’oxygène ? 8. Pourquoi peut-on négliger les [électrons](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/16-a-linterieur-de-latome#def-g9-inside-the-atom-nucleus) ? **Partie III — Le décompte.** 9. Calcule le nombre d’ [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’hydrogène du corps. 10. Calcule le nombre d’ [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) de carbone. 11. Calcule le nombre d’ [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’oxygène du corps. 12. Une estimation soigneuse donne $1.61 \times 10^{27}$ [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’oxygène dans un tel corps. Compare avec ton décompte, et donne le nombre d’ [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’oxygène d’un corps de $70\,\mathrm{kg}$ avec deux chiffres significatifs. **Solution de Problème 21.1.** **1.** $0.61 \times 70 = 42.7\,\mathrm{kg}$. **2.** Carbone : $0.23 \times 70 = 16.1\,\mathrm{kg}$ ; hydrogène : $0.10 \times 70 = 7.0\,\mathrm{kg}$. **3.** $61 + 23 + 10 = 94\,\%$. **4.** L’eau, $\ce{H2O}$. **5.** $16 \times 1.67 \times 10^{-27} = 2.67 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}$. **6.** Carbone : $12 \times 1.67 \times 10^{-27} = 2.00 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}$ ; hydrogène : $1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}$. **7.** 16. **8.** Un [électron](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/16-a-linterieur-de-latome#def-g9-inside-the-atom-nucleus) est environ 1836 fois plus léger qu’un [nucléon](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/16-a-linterieur-de-latome#def-g9-inside-the-atom-proton) : les [électrons](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/16-a-linterieur-de-latome#def-g9-inside-the-atom-nucleus) font moins d’un millième de la masse. **9.** $7.0 / 1.67 \times 10^{-27} \approx 4.2 \times 10^{27}$ [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’hydrogène. **10.** $16.1 / 2.00 \times 10^{-26} \approx 8.0 \times 10^{26}$ [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) de carbone. **11.** $42.7 / 2.67 \times 10^{-26} \approx 1.60 \times 10^{27}$ [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’oxygène. **12.** Notre décompte, $1.60 \times 10^{27}$, est en accord avec l’estimation $1.61 \times 10^{27}$ : un corps de $70\,\mathrm{kg}$ contient environ $1.6 \times 10^{27}$ [atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) d’oxygène.