Quels sont les éléments chimiques les plus abondants dans l'Univers ?

L'hydrogène (H, environ 74 % de la masse) et l'hélium (He, environ 24 %). Tous les autres éléments réunis (oxygène, carbone, fer…) ne représentent qu'environ 2 % de la matière ordinaire de l'Univers.

Quels sont les éléments les plus abondants sur Terre ?

Dans la croûte terrestre : l'oxygène (environ 46 % de la masse), le silicium (28 %), l'aluminium (8 %) et le fer (5 %). Pour la Terre entière, le fer domine (environ 32 %), concentré dans le noyau, devant l'oxygène (30 %), le silicium (15 %) et le magnésium (14 %).

Comment les éléments chimiques se sont-ils formés ?

L'hydrogène et l'hélium sont apparus dans les premières minutes de l'Univers, après le Big Bang. Les éléments plus lourds, jusqu'au fer, sont fabriqués au cœur des étoiles par fusion nucléaire. Les plus lourds encore (or, uranium…) naissent lors de l'explosion des étoiles massives (supernovae) et de collisions d'étoiles.

Qu'est-ce qu'une année-lumière ?

C'est la distance parcourue par la lumière en une année, soit environ 9 460 milliards de kilomètres (9,5 × 10¹² km). L'étoile la plus proche du Soleil, Proxima du Centaure, est à 4,2 années-lumière ; notre galaxie mesure environ 100 000 années-lumière de diamètre.

Collège · 4ᵉ · Chimie

L'organisation de la matière dans l'Univers : galaxies, système solaire, éléments chimiques

Échelles de l'atome à l'Univers, ordres de grandeur en puissances de 10, système solaire et galaxies, éléments chimiques sur Terre et dans l'Univers, formation des éléments dans les étoiles

À propos de cette page

Ce cours de chimie en quatrième sur « L'organisation de la matière dans l'Univers : galaxies, système solaire, éléments chimiques » suit le programme officiel de chimie de quatrième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : De l'atome à l'Univers : les échelles, Puissances de 10 et ordres de grandeur, Le système solaire, Galaxies et Univers : l'année-lumière. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de quatrième à réussir en chimie.

De l'atome à l'Univers : les échelles

La matière est organisée en structures emboîtées, du plus petit au plus grand. Chaque niveau est constitué des éléments du niveau précédent.

Objet	Taille caractéristique	Ordre de grandeur (m)
Noyau d'un atome	$0, 000 001$ nm	$10^{- 15}$
Atome	$0, 1$ nm	$10^{- 10}$
Molécule d'eau	$0, 3$ nm	$10^{- 10}$
Être humain	$1, 7$ m	$10^{0}$
Terre (diamètre)	$12 742$ km	$10^{7}$
Soleil (diamètre)	$1, 4$ million de km	$10^{9}$
Système solaire (jusqu'à Neptune)	$9$ milliards de km	$10^{13}$
Voie lactée (diamètre)	$100 000$ années-lumière	$10^{21}$
Univers observable (rayon)	$46$ milliards d'années-lumière	$10^{26}$

Attention ! Entre deux niveaux, il y a surtout du vide : le noyau est

100 000

fois plus petit que l'atome, et les étoiles d'une galaxie sont séparées par des milliards de kilomètres de vide. La matière est lacunaire.

Puissances de 10 et ordres de grandeur

Définition. Une puissance de 10 s'écrit

10^{n}

10^{3} = 1 000

(un 1 suivi de 3 zéros),

10^{- 3} = 0, 001

. L'ordre de grandeur d'une longueur est la puissance de 10 la plus proche de sa valeur : il sert à comparer des tailles très différentes.

Écriture	Valeur	Exemple
$10^{- 10}$ m	$0, 000 000 000 1$ m	taille d'un atome
$10^{- 3}$ m	$1$ mm	grain de sable
$10^{3}$ m	$1$ km	longueur d'un quartier
$1, 5 \times 10^{11}$ m	$150 000 000 000$ m	distance Terre–Soleil

Comparer deux échelles. Combien d'atomes (

10^{- 10}

m) mis bout à bout pour faire le diamètre de la Terre (

10^{7}

m) ?

\frac{10^{7}}{10^{- 10}} = 10^{7 - (- 10)} = 10^{17}

: cent millions de milliards d'atomes. Pour diviser des puissances de 10, on soustrait les exposants.

Astuce. L'Univers observable (

10^{26}

m) est à l'être humain (

10^{0}

m) ce que l'être humain est… à quelque chose de

10^{- 26}

m, bien plus petit qu'un noyau d'atome. Nous sommes à peu près « au milieu » des échelles de l'Univers.

Le système solaire

Définition. Le système solaire est formé du Soleil, une étoile, et de tous les corps qui tournent autour de lui : huit planètes et leurs satellites, des planètes naines (Pluton, Cérès), des astéroïdes et des comètes. Il s'est formé il y a environ 4,6 milliards d'années à partir d'un nuage de gaz et de poussières qui s'est contracté.

Pour les distances, on utilise l'unité astronomique (ua) : $1$ ua $=$ distance Terre–Soleil $\approx 150$ millions de km $= 1, 5 \times 10^{8}$ km.

Planète	Distance au Soleil (ua)	Type	Composition principale
Mercure	$0, 4$	tellurique	roches, fer
Vénus	$0, 7$	tellurique	roches ; atmosphère de dioxyde de carbone
Terre	$1$	tellurique	roches, noyau de fer ; eau liquide ; atmosphère de diazote et dioxygène
Mars	$1, 5$	tellurique	roches riches en oxydes de fer (couleur rouge)
Jupiter	$5, 2$	géante gazeuse	hydrogène, hélium
Saturne	$9, 5$	géante gazeuse	hydrogène, hélium ; anneaux de glace
Uranus	$19$	géante de glaces	eau, ammoniac, méthane
Neptune	$30$	géante de glaces	eau, ammoniac, méthane

Exemple. La lumière du Soleil met

8

min

20

s pour atteindre la Terre :

1, 5 \times 10^{8}

\div

3 \times 10^{5}

km/s

= 500

s. Quand tu regardes le Soleil, tu le vois tel qu'il était il y a huit minutes.

Galaxies et Univers : l'année-lumière

Définitions. Une galaxie est un immense ensemble d'étoiles, de gaz et de poussières liés par la gravitation. La nôtre, la Voie lactée, contient des centaines de milliards d'étoiles ; le Soleil est l'une d'elles, à environ

26 000

années-lumière du centre. L'Univers observable contient des centaines de milliards de galaxies.

L'année-lumière (al). C'est la distance parcourue par la lumière en un an, à

300 000

km/s :

1

\approx 9, 5 \times 10^{12}

km, soit près de dix mille milliards de kilomètres. C'est une unité de longueur, pas de temps.

Objet	Distance	On le voit tel qu'il était il y a…
Lune	$384 000$ km	$1, 3$ s
Soleil	$1$ ua	$8$ min $20$ s
Neptune	$30$ ua	$4$ h $10$ min
Proxima du Centaure (étoile la plus proche)	$4, 2$ al	$4, 2$ ans
Centre de la Voie lactée	$26 000$ al	$26 000$ ans
Galaxie d'Andromède	$2, 5$ millions d'al	$2, 5$ millions d'années

Histoire de l'Univers. L'Univers est né il y a environ 13,8 milliards d'années (le Big Bang) : il était alors extrêmement chaud et dense. Depuis, il est en expansion : les galaxies s'éloignent les unes des autres. Les premières étoiles se sont allumées quelques centaines de millions d'années après le Big Bang ; le Soleil, lui, n'a que $4, 6$ milliards d'années.

Attention ! Regarder loin, c'est regarder dans le passé : la lumière d'Andromède qui arrive ce soir est partie il y a

2, 5

millions d'années, avant l'apparition de l'espèce humaine.

Les éléments chimiques : sur Terre et dans l'Univers

Définition. Un élément chimique désigne un type d'atome, repéré par un symbole : H (hydrogène), He (hélium), C (carbone), N (azote), O (oxygène), Si (silicium), Fe (fer), Al (aluminium), Ca (calcium), Na (sodium)… On en connaît

118

, dont environ

90

existent naturellement. Toute la matière de l'Univers est faite de ces mêmes éléments.

Milieu	Éléments dominants	Pourquoi
Univers, étoiles, Jupiter	H, He	gaz légers, les plus anciens et les plus abondants
Croûte terrestre	O, Si, Al, Fe	roches : silicates et oxydes
Terre entière	Fe, O, Si, Mg	le fer s'est rassemblé au centre : c'est le noyau
Air	N, O	diazote $78$ %, dioxygène $21$ %
Êtres vivants	O, C, H, N	eau et molécules du vivant (à base de carbone)

Attention ! La Terre a perdu l'essentiel de son hydrogène et de son hélium : trop légers, ces gaz se sont échappés dans l'espace lors de sa formation. C'est pourquoi l'abondance sur Terre est si différente de celle de l'Univers.

D'où viennent les éléments ? Le rôle des étoiles

Au cœur d'une étoile comme le Soleil, la température atteint environ $15$ millions de degrés : les noyaux d'hydrogène fusionnent en hélium en libérant une énorme énergie, celle qui fait briller l'étoile. Dans les étoiles plus massives, les fusions se poursuivent et fabriquent des noyaux de plus en plus lourds, jusqu'au fer.

Exemple. Le Soleil transforme chaque seconde environ

600

millions de tonnes d'hydrogène en hélium. Il en a pour encore

5

milliards d'années environ.

À retenir. « Nous sommes des poussières d'étoiles » : l'oxygène que nous respirons, le carbone et le calcium de nos os ont été fabriqués dans des étoiles, puis dispersés dans l'espace avant de former le système solaire.

La matière des planètes et des êtres vivants

Les mêmes éléments, présents dans des proportions différentes, expliquent la diversité des astres.

Corps	Composition	Remarque
Soleil	H ( $\approx 73$ %), He ( $\approx 25$ %)	comme l'Univers : une boule de gaz
Planètes telluriques (Mercure, Vénus, Terre, Mars)	roches (O, Si, Mg, Al) et métaux (Fe, Ni)	petites, denses, surface solide
Géantes gazeuses (Jupiter, Saturne)	H, He	énormes, pas de surface solide
Géantes de glaces (Uranus, Neptune)	eau, ammoniac, méthane	« glaces » = composés de H, O, C, N
Corps humain	O ( $65$ %), C ( $18$ %), H ( $10$ %), N ( $3$ %), Ca, P…	surtout de l'eau et des molécules carbonées

Exemple. L'eau, H₂O, existe partout : liquide sur Terre, glace sur Mars et dans les comètes, vapeur dans les atmosphères de Jupiter et de Saturne. Ce sont les mêmes atomes d'hydrogène et d'oxygène.

Attention ! « Élément chimique » n'est pas « corps pur ». Le dioxygène (O₂), l'eau (H₂O) et le sable (SiO₂) sont trois corps purs différents qui contiennent le même élément oxygène.

En bref

Échelles emboîtées : atome ( $10^{- 10}$ m) → Terre ( $10^{7}$ m) → système solaire ( $10^{13}$ m) → Voie lactée ( $10^{21}$ m) → Univers observable ( $10^{26}$ m). La matière est lacunaire.
Ordre de grandeur = puissance de 10 la plus proche ; pour comparer, on soustrait les exposants.
Système solaire : Soleil + 8 planètes (4 telluriques, 2 géantes gazeuses, 2 géantes de glaces), formé il y a $4, 6$ milliards d'années. $1$ ua $= 1, 5 \times 10^{8}$ km.
Année-lumière = distance parcourue par la lumière en un an $\approx 9, 5 \times 10^{12}$ km. Regarder loin = regarder dans le passé.
Univers : né il y a $13, 8$ milliards d'années (Big Bang), en expansion, des centaines de milliards de galaxies.
Éléments : Univers = H et He ( $98$ %) ; croûte terrestre = O, Si, Al, Fe ; vivant = O, C, H, N.
H et He viennent du Big Bang ; les éléments jusqu'au fer sont fabriqués dans les étoiles ; les plus lourds dans les supernovae.

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