{"id":1123,"date":"2015-01-23T13:05:32","date_gmt":"2015-01-23T12:05:32","guid":{"rendered":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/?p=1123"},"modified":"2020-06-02T07:15:40","modified_gmt":"2020-06-02T05:15:40","slug":"chimique-contre-nucleaire","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/chimique-contre-nucleaire\/","title":{"rendered":"Chimique contre nucl\u00e9aire"},"content":{"rendered":"
\"choucroute<\/a>

choucroute garnie<\/p><\/div>\n

L’article qui suit est une version enrichie, illustr\u00e9e et “vulgaris\u00e9e” (sans la moindre connotation p\u00e9jorative) de la correction d’un exercice pos\u00e9 en examen \u00e0 Pau, le 8 janvier 2015, en deuxi\u00e8me ann\u00e9e de licence de physique. Il vise \u00e0 montrer qu’au-del\u00e0 des d\u00e9tails souvent complexes de la r\u00e9alit\u00e9 concr\u00e8te, conduisant \u00e0 des probl\u00e8mes qui ne le sont pas moins, faire de la physique consiste aussi \u00e0 savoir rep\u00e9rer les invariants, les guides\u00a0fiables, dans la connaissance rationnelle que nous avons du monde. Il en r\u00e9sulte une hi\u00e9rarchie des concepts qui permet d’\u00e9viter de se perdre dans les d\u00e9tails.<\/p>\n

<\/p>\n

\u00c9nergie chimique<\/h2>\n

Pour le commun des mortels et pour les journalistes, l’\u00e9nergie chimique est quelque chose de pas tr\u00e8s sympathique, qui sent souvent mauvais ou explose, et qu’on oppose g\u00e9n\u00e9ralement aux \u00e9nergies “naturelles” et “\u00e9cologiques” comme le soleil, le vent ou la biomasse.<\/p>\n

Pour les scientifiques, la d\u00e9finition est \u00e0 la fois beaucoup plus pr\u00e9cise et beaucoup plus vaste. Une r\u00e9action chimique est une modification de liaisons entre des\u00a0atomes, certaines se rompant tandis que de nouvelles se forment. Prenons comme exemple l’oxydation du carbone, qui d\u00e9gage de la chaleur :<\/p>\n

C + O2<\/sub><\/small><\/span>\u00a0\u2192 CO2<\/sub><\/small><\/span><\/span><\/p>\n

Les atomes d’oxyg\u00e8ne sont initialement li\u00e9s entre eux par une liaison dans la mol\u00e9cule de dioxyg\u00e8ne (O2<\/sub><\/small><\/span>) ; lors de la r\u00e9action cette liaison se rompt et les atomes d’oxyg\u00e8ne viennent se lier \u00e0 l’atome de carbone pour former le dioxyde de carbone (CO2<\/sub><\/small><\/span>).<\/p>\n

Pour toute r\u00e9action chimique, c’est la m\u00eame chose : les \u00e9nergies des liaisons initiales n’\u00e9tant pas les m\u00eames que les \u00e9nergies des liaisons finales, leur diff\u00e9rence correspond \u00e0\u00a0l’\u00e9nergie de la r\u00e9action ; cette r\u00e9action est dite\u00a0exothermique<\/em>\u00a0si elle d\u00e9gage de la chaleur, endothermique<\/em> s’il faut lui apporter de la chaleur pour qu’elle se produise. Les \u00e9nergies de liaison ont des valeurs diverses mais qui sont toutes du m\u00eame ordre de grandeur : quelques \u00e9lectrons-volts<\/a>\u00a0(l’\u00e9lectron-volt<\/a>, en abr\u00e9g\u00e9 eV, est une toute petite unit\u00e9 d’\u00e9nergie tr\u00e8s commode \u00e0 l’\u00e9chelle des mol\u00e9cules). Une\u00a0modification de liaison dans une r\u00e9action chimique entra\u00eenera donc \u00e9galement, dans le cas d’une r\u00e9action exothermique, une lib\u00e9ration d’\u00e9nergie de l’ordre d’un \u00e9lectron-volt par liaison modifi\u00e9e.<\/p>\n

Quand on dit “de l’ordre de<\/em>” , c’est qu’on mesure \u00e0 la grosse louche : 2, 3 ou m\u00eame 4 eV, c’est encore “de l’ordre de<\/em>” 1 eV. De m\u00eame que 0,3 eV. Le but n’est pas de faire un calcul pr\u00e9cis, vous comprendrez pourquoi \u00e0 la fin de l’article.<\/p>\n

\"Nombre<\/a>

Nombre de neutrons en fonction du nombre de protons, pour l’ensemble des \u00e9l\u00e9ments.<\/p><\/div>\n

Mais qu’est-ce qu’une liaison chimique ? C’est la mise en commun d’\u00e9lectrons entre\u00a0atomes : ce sont les \u00e9lectrons qui font la\u00a0liaison<\/strong>. Or, les atomes sont neutres, et doivent donc comporter autant de protons que d’\u00e9lectrons. Ils peuvent aussi comporter des neutrons, en nombre g\u00e9n\u00e9ralement proche de celui des protons, comme on peut le voir sur la figure ci-contre o\u00f9 les isotopes stables des diff\u00e9rents \u00e9l\u00e9ments (les seuls int\u00e9ressant la chimie) sont repr\u00e9sent\u00e9s en noir. Protons et\u00a0neutrons sont les constituants du noyau, d’o\u00f9 leur nom de nucl\u00e9ons<\/em>.<\/p>\n

Mais si la mati\u00e8re a une masse, c’est tr\u00e8s majoritairement en raison de la masse des noyaux (protons et neutrons), pas de celle des \u00e9lectrons : en effet un \u00e9lectron a une masse de\u00a09,1\u00d710-31<\/sup>\u00a0kg alors que proton et neutron ont des\u00a0masses tr\u00e8s voisines de\u00a01,7\u00d710-27<\/sup>\u00a0kg, soit presque 1900 fois plus.<\/p>\n

Bref, comme on sait que toute r\u00e9action chimique implique un \u00e9lectron (qui lib\u00e8re une \u00e9nergie de l’ordre de 1 eV)<\/strong>, et que tout \u00e9lectron est associ\u00e9 au minimum \u00e0 un proton (cas de l’atome d’hydrog\u00e8ne) voire \u00e0 un proton et un neutron (plus \u00e9ventuellement quelques poussi\u00e8res de neutron…), il est tr\u00e8s facile de savoir l’ordre de grandeur de la quantit\u00e9 d’\u00e9nergie par unit\u00e9 de masse<\/strong>\u00a0disponible avec une r\u00e9action chimique : c’est tout simplement 1 eV divis\u00e9 par la masse du proton. Ce qui fait, en unit\u00e9s l\u00e9gales d’\u00e9nergie (joule) et de masse (kilogramme) :<\/p>\n

\u00a0(1,6\u00d710-19<\/sup>\u00a0J) \/ (1,7\u00d710-27<\/sup>\u00a0kg) \u2248 108<\/sup>\u00a0J\/kg<\/p>\n

Ou encore, pour utiliser le pr\u00e9fixe m\u00e9ga (not\u00e9 M) qui signifie un million, 100 MJ\/kg<\/strong>.<\/p>\n

Voil\u00e0, en ordre de grandeur, la borne sup\u00e9rieure de l’\u00e9nergie massique de toute r\u00e9action chimique.<\/strong> Mais il est int\u00e9ressant \u00e0 ce stade de comprendre que par “r\u00e9action chimique”, on entend toutes sortes de choses qui n’apparaissent pas “chimiques” dans le langage courant : aussi bien la combustion de l’essence dans un moteur, que celle du bois dans la chemin\u00e9e, ou encore l’\u00e9nergie que nous tirons des aliments comme celle qu’un constructeur d’autoroutes pourra tirer de charges explosives d\u00e9sint\u00e9grant des rochers ! Tout cela est de l’\u00e9nergie chimique, et doit donc ob\u00e9ir \u00e0 la r\u00e8gle ci-dessus.<\/p>\n

V\u00e9rifions-le en commen\u00e7ant par la source d’\u00e9nergie qui devrait \u00eatre la plus l\u00e9g\u00e8re, puisque sans neutron : la combustion du dihydrog\u00e8ne H2<\/sub><\/small>. Son pouvoir calorifique sup\u00e9rieur est de 142 MJ\/kg<\/a>, voil\u00e0 qui est rassurant ! Continuons avec une unit\u00e9 d’\u00e9nergie tr\u00e8s employ\u00e9e, la tonne \u00e9quivalent p\u00e9trole<\/a> : elle vaut 42 GJ, ce qui revient \u00e0 dire qu’un kilogramme de p\u00e9trole qui br\u00fble d\u00e9gage 42 MJ, une valeur inf\u00e9rieure parfaitement logique puisque le p\u00e9trole comporte en plus des atomes d’hydrog\u00e8ne des atomes de carbone, lesquels comportent des neutrons, c’est-\u00e0-dire un lest inutile, du point de vue de la r\u00e9action chimique.<\/p>\n

\"BN<\/a>

< 1 eV par nucl\u00e9on, toujours.<\/p><\/div>\n

Mais allons plus loin avec les aliments : prenez n’importe quel emballage de nourriture industrielle (pour le regarder, pas pour en manger le contenu) et vous verrez que la “valeur nutritionnelle moyenne”, exprim\u00e9e g\u00e9n\u00e9ralement pour 100 g, ob\u00e9it encore \u00e0 la r\u00e8gle magique : par exemple, pour ces biscuits, 16,66 MJ\/kg (le chiffre du d\u00e9mon ?). Cela reste encore valable pour la choucroute garnie, bien entendu : environ 4 MJ\/kg pour celle-ci<\/a>.<\/p>\n

Et m\u00eame pour les explosifs, dont le plus connu, le TNT<\/a>, sert d’unit\u00e9 de mesure pour les “puissances<\/a>” des bombes nucl\u00e9aires, mesur\u00e9es en kilotonnes ou m\u00e9gatonnes de TNT ; “puissance” qui est d’ailleurs un terme abusif puisqu’il s’agit en r\u00e9alit\u00e9 de l’\u00e9nergie d\u00e9gag\u00e9e. V\u00e9rification : 4,6 MJ\/kg<\/a>, pas loin de la choucroute, la r\u00e8gle est encore respect\u00e9e !<\/p>\n

Etonnant tout de m\u00eame que le TNT soit moins \u00e9nerg\u00e9tique par unit\u00e9 de masse que le BN go\u00fbt fraise, me direz-vous… mais non, c’est encore tr\u00e8s logique ! Pas \u00e0 cause des neutrons cette fois, mais parce que le TNT n’a besoin que de lui-m\u00eame pour lib\u00e9rer son \u00e9nergie, alors que le BN go\u00fbt fraise, le p\u00e9trole, le carbone pur ou le dihydrog\u00e8ne ont besoin d’un ingr\u00e9dient essentiel : l’oxyg\u00e8ne (et la choucroute, elle, contient beaucoup d’eau “inutile” d’un point de vue \u00e9nerg\u00e9tique). Et si maintenant\u00a0on tient compte de la masse de la mol\u00e9cule de dioxyg\u00e8ne dans la combustion du carbone, l’\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e passe d’environ 30 MJ\/kg \u00e0 seulement 8. Et pour le dihydrog\u00e8ne (H2<\/sub><\/small>), de 142 MJ\/kg\u00a0\u00e0 8 \u00e9galement, le dioxyg\u00e8ne \u00e9tant beaucoup plus lourd ! Il ne faut pas confondre la quantit\u00e9 d’\u00e9nergie lib\u00e9r\u00e9e et la vitesse<\/em> \u00e0 laquelle cette \u00e9nergie est lib\u00e9r\u00e9e (c’est-\u00e0-dire la puissance<\/em><\/a>, en termes pr\u00e9cis de physique) : elle est \u00e9videmment bien sup\u00e9rieure pour un explosif que pour de la nourriture, ou m\u00eame un combustible ordinaire.<\/p>\n

Bref, si on tient compte de la masse de tous<\/strong> les r\u00e9actifs, c’est plut\u00f4t vers\u00a010 MJ\/kg<\/strong> que l’\u00e9nergie chimique trouve ses limites.<\/p>\n

\u00c9nergie nucl\u00e9aire<\/h2>\n

Ici, les \u00e9lectrons sont hors-jeu : tout se passe entre nucl\u00e9ons, d’o\u00f9 le nom d’\u00e9nergie nucl\u00e9aire<\/em>. Qui peut prendre deux formes : la fission<\/em>, lorsque de gros\u00a0noyaux se cassent, et la fusion<\/em>, lorsque de petits noyaux se collent pour en faire de plus gros. Les deux m\u00e9canismes produisent de l’\u00e9nergie. Comment est-ce possible, alors qu’ils sont oppos\u00e9s ? Parce que la stabilit\u00e9 des \u00e9l\u00e9ments\u00a0est maximale pour une taille de noyau interm\u00e9diaire (pr\u00e9cis\u00e9ment, celle du fer 56) et qu’il y a donc de l’\u00e9nergie \u00e0 r\u00e9cup\u00e9rer en se rapprochant de cet interm\u00e9diaire. Beaucoup<\/strong> d’\u00e9nergie : cette fois, c’est de l’ordre de 1 MeV (m\u00e9ga-\u00e9lectron-volt) par nucl\u00e9on, soit un million de fois plus que pour l’\u00e9nergie chimique.<\/p>\n

\"\u00c9nergie<\/a>

\u00c9nergie de liaison par nucl\u00e9on : se mesure en MeV, et pr\u00e9sente un maximum pour le fer 56.<\/p><\/div>\n

La masse \u00e9tant toujours port\u00e9e par les noyaux, l’\u00e9nergie massique maximale d’une r\u00e9action nucl\u00e9aire sera donc un million de fois plus \u00e9lev\u00e9e que celle d’une r\u00e9action chimique : de 100 MJ\/kg (ou 10 pour une valeur plus r\u00e9aliste), on passe ainsi \u00e0 100 (ou 10) TJ\/kg<\/strong> (t\u00e9rajoule =\u00a01012<\/sup>\u00a0J = un million de millions de joules). En pratique, les r\u00e9actions nucl\u00e9aires sont loin de cette limite, toute la mati\u00e8re n’\u00e9tant pas utile ; mais m\u00eame avec quelques pour cent de rendement ou moins, il y a de la marge pour enfumer l’\u00e9nergie chimique. D’o\u00f9 son int\u00e9r\u00eat pour les militaires : d\u00e9truire une cible peut n\u00e9cessiter beaucoup d’\u00e9nergie, et comme l’arme doit \u00eatre transport\u00e9e sur son lieu d’utilisation pour faire effet, l’explosif ou l’incendiaire chimique trouve rapidement ses limites (surtout si l’arme est a\u00e9roport\u00e9e, ou pire port\u00e9e \u00e0 dos d’homme<\/a>) en raison de sa masse.<\/p>\n

\u00c0 titre d’exemple, la bombe H la plus “puissante” jamais test\u00e9e, la Tsar Bomba<\/a>,\u00a0pesait 27\u00a0tonnes et a d\u00e9gag\u00e9 une \u00e9nergie de 57\u00a0m\u00e9gatonnes de TNT<\/a>, soit :<\/p>\n

(57 Mt)\u00a0\u00d7\u00a0(4,2\u00d71015<\/sup><\/span>\u00a0J\/Mt) \u2248 240\u00d71015<\/sup> J\u00a0<\/sup><\/p>\n

Ce qui, ramen\u00e9 \u00e0 sa masse, donne une \u00e9nergie massique de :<\/p>\n

(240\u00d71015<\/sup>\u00a0J) \/ (27\u00d7106<\/sup>\u00a0kg) \u2248 9\u00d7109<\/sup>\u00a0J\/kg\u00a0\u2248 1010<\/sup>\u00a0J\/kg<\/p>\n

On est loin de\u00a010 TJ\/kg =\u00a01013<\/sup>\u00a0J\/kg (un milli\u00e8me seulement), mais la r\u00e9action nucl\u00e9aire elle-m\u00eame ne mobilise\u00a0pas toutes les liaisons nucl\u00e9aires, et\u00a0la majeure partie de la masse de la bombe est constitu\u00e9e de “l’enveloppe”, pas de la mati\u00e8re explosive\u00a0! De plus dans ce cas particulier, le troisi\u00e8me \u00e9tage avait \u00e9t\u00e9 d\u00e9sactiv\u00e9, remplac\u00e9 par du plomb inerte, pour limiter les d\u00e9g\u00e2ts. Mais on reste quand m\u00eame tr\u00e8s au-dessus\u00a0de l’\u00e9nergie massique d’une r\u00e9action chimique : avec un facteur un million au d\u00e9part, m\u00eame en ne gardant qu’un milli\u00e8me du maximum pour des raisons technologiques diverses, il reste toujours un facteur mille de sup\u00e9riorit\u00e9 : 10 GJ\/kg au lieu de 10 MJ\/kg.<\/p>\n

Le sujet d’examen pos\u00e9 le 8 janvier \u00e0 Pau comportait la question suivante :<\/p>\n

Lors d\u2019une attaque militaire sur une ville, une zone d\u00e9truite de 3 hectares laisse des d\u00e9combres fumants sur lesquels des pompiers doivent lutter contre les incendies pendant 3 mois. Une estimation basse de l\u2019\u00e9nergie thermique d\u00e9gag\u00e9e jusqu\u2019au refroidissement complet de la zone donne environ 1 PJ (1015<\/sup>J). D\u00e9terminer les masses minimales des armes n\u00e9cessaires qui ont \u00e9t\u00e9 employ\u00e9es, si on consid\u00e8re l\u2019hypoth\u00e8se non-nucl\u00e9aire et si on consid\u00e8re l\u2019hypoth\u00e8se nucl\u00e9aire (en consid\u00e9rant que la masse de l\u2019arme provient seulement de la masse de la source \u00e9nerg\u00e9tique).<\/em><\/p><\/blockquote>\n

 <\/p>\n

La r\u00e9ponse \u00e9tait (avec les chiffres extr\u00eames pour les densit\u00e9s \u00e9nerg\u00e9tiques massiques) :<\/p>\n

D\u2019apr\u00e8s les r\u00e9sultats pr\u00e9c\u00e9dents, une \u00e9nergie de 1 PJ n\u00e9cessite au minimum : <\/em><\/p>\n

\u2022 avec une source d\u2019\u00e9nergie chimique, une masse d\u2019au moins 1015<\/sup>\/108<\/sup>\u00a0= 107<\/sup>\u00a0kg, soit encore 10 000\u00a0tonnes (de dihydrog\u00e8ne !) ; <\/em><\/p>\n

\u2022 avec une source d\u2019\u00e9nergie nucl\u00e9aire, une masse d\u2019au moins 1015<\/sup>\/1014<\/sup>\u00a0= 10 kg.<\/em><\/p><\/blockquote>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

L’article qui suit est une version enrichie, illustr\u00e9e et “vulgaris\u00e9e” (sans la moindre connotation p\u00e9jorative) de la correction d’un exercice pos\u00e9 en examen \u00e0 Pau, le 8 janvier 2015, en deuxi\u00e8me ann\u00e9e de licence de physique. Il vise \u00e0 montrer qu’au-del\u00e0 des d\u00e9tails souvent complexes de la r\u00e9alit\u00e9 concr\u00e8te, conduisant \u00e0 des probl\u00e8mes qui ne […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":[],"categories":[3,6],"tags":[143,142,144,33],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1123"}],"collection":[{"href":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1123"}],"version-history":[{"count":79,"href":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1123\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":15170,"href":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1123\/revisions\/15170"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1123"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1123"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/aitia.fr\/erd\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1123"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}