La matière et les matériaux
La diversité et les propriétés des matériaux
Les matériaux sont utilisés pour la construction des objets, des machines, des bâtiments, etc.
On peut distinguer plusieurs catégories de matériaux :
- Les matériaux métalliques, ou les métaux, qui se caractérisent par une très bonne conduction électrique et thermique et aussi par un aspect brillant (lorsqu'ils sont polis).
- Les matériaux organiques qui proviennent d'organismes vivants (végétaux ou animaux) ou des produits de leur décomposition (le pétrole).
- Les matériaux minéraux (verres ou céramiques) qui regroupent les matériaux à la fois non métalliques et non organiques. Généralement, ils sont obtenus après cuisson d'une matière première que l'on trouve dans le sol (argile, sable, etc.).
- Le fer, le cuivre, le plomb et le zinc sont des métaux.
- Les fibres du coton sont obtenues à partir d'une fleur, c'est donc une matière organique végétale.
- Les verres sont obtenus après cuisson du quartz présent dans le sable.
Les matériaux n'ont pas les mêmes propriétés :
| Type de matériaux | Les métaux | Les matériaux organiques | Les matériaux minéraux |
| Conduction électrique | Très bonne | Mauvaise | Nulle |
| Conduction de la chaleur | Très bonne | Mauvaise | Bonne |
| Magnétisme | Ne concerne que certains métaux : le fer, le nickel, le cobalt et leurs alliages | Généralement non magnétiques | Généralement non magnétiques |
Les états et les changements d'état de la matière
La matière peut exister sous trois états différents : solide, liquide et gazeux. L'état sous lequel se trouve la matière dépend de deux paramètres : la température et la pression.
Sur Terre, l'eau existe sous trois états : solide, liquide et gazeux.
Changement d'état
Un changement d'état est une transformation physique au cours de laquelle un échantillon de matière passe d'un état à un autre. Ce changement d'état dépend de la température et de la pression.
Les corps purs et les mélanges
Corps pur
Un corps pur, en chimie, est une substance (solide, liquide ou gazeuse) ne comportant qu'une seule espèce chimique : soit une seule sorte d'atome, soit une seule sorte de molécule.
Mélange
Un mélange est une substance (solide, liquide ou gazeuse) constituée de plusieurs espèces chimiques.
Mélange homogène
Un mélange est homogène s'il est impossible de distinguer ses différents constituants à l'œil nu.
Un mélange d'eau et de sucre est homogène : il est impossible de différencier ses constituants à l'œil nu.
Mélange hétérogène
Un mélange est hétérogène s'il est possible de distinguer ses différents constituants à l'œil nu.
Un mélange d'eau et d'huile est hétérogène : on distingue le constituant eau et le constituant huile à l'œil nu.
Pour séparer les constituants d'un mélange, on met à profit leurs différences de miscibilité ou de solubilité.
| Notions | Miscibilité | Solubilité |
| Définitions | Capacité de deux liquides à se mélanger | Capacité d'un solide à se dissoudre dans un liquide |
| Exemples | L'eau et l'huile forment un mélange hétérogène car ces deux liquides sont non miscibles. | Le sel et le sucre sont très solubles dans l'eau. |
La méthode de séparation à utiliser dépend du type de constituants :
| Méthode de séparation | Convient pour séparer |
| Filtration | Un solvant et un solide insoluble |
| Décantation | Des liquides non miscibles |
| Distillation | Des liquides miscibles |
Il est possible de mettre en évidence la présence de certaines espèces chimiques dans un mélange à l'aide de tests caractéristiques :
| Espèces chimiques | Eau | Dioxyde de carbone | Dioxygène | Dihydrogène |
| Tests caractéristiques | Bleuit le sulfate de cuivre anhydre | Trouble l'eau de chaux | Ravive une bûchette incandescente | Provoque une détonation à l'approche d'une flamme |
La masse volumique
Masse volumique
La masse volumique d'un corps, notée \rho, est la masse d'un litre de ce corps.
La masse d'un litre d'eau étant d'un kilogramme, la masse volumique de l'eau est :
\rho_{\text{air}}=1 \text{ kg/L}
Calcul de la masse volumique
La masse volumique d'un corps correspond au rapport entre la masse d'un échantillon de ce corps et le volume de cet échantillon :
\rho_{\text{corps}} = \dfrac{m_{\text{corps}}}{V_{\text{corps}}}
- Elle est exprimée en kg/L si la masse est exprimée en kilogrammes (kg) et le volume en litres (L).
- Elle est exprimée en \text{kg/m}^3 si la masse est exprimée en kilogrammes (kg) et le volume en mètres cubes ( \text{m}^3 ).
- Elle est exprimée en \text{g/cm}^3 si la masse est exprimée en grammes (g) et le volume en centimètres cubes ( \text{cm}^3 ).
Un échantillon d'aluminium de 20 \text{ cm}^3 a une masse de 54 g, sa masse volumique est donc :
\rho_{\text{aluminium}} = \dfrac{m_{\text{aluminium}}}{V_{\text{aluminium}}}
\rho_{\text{aluminium}} = \dfrac{54}{20}
\rho_{\text{aluminium}} = 2{,}7 \text{ g/cm}^3
La masse volumique de l'eau est de 1 \text{ kg/L}, les solides réagissent différemment selon leur masse volumique :
- Les corps dont la masse volumique est supérieure à 1 \text{ kg/L} coulent.
- Les corps dont la masse volumique est inférieure à 1 \text{ kg/L} flottent.
- L'aluminium ayant une masse volumique de 2,7 g/mL, donc supérieure à 1 g/mL, il coule.
- Le bois ayant une masse volumique de 0,80 g/mL, donc inférieure à 1 g/mL, il flotte.
L'air, un mélange particulier
L'air est un mélange de gaz. Sa composition volumique est la suivante :
- 78 % de diazote (soit environ \dfrac{4}{5}) ;
- 21 % de dioxygène (soit environ \dfrac{1}{5}) ;
- 1 % d'autres gaz (dioxyde de carbone, argon, etc.).
La masse volumique de l'air est \rho_{\text{air}}=1{,}3 \text{ g/L}.
Les transformations de la matière
Le modèle de l'atome
Atomes
Les atomes sont les constituants fondamentaux de la matière, invisibles à l'œil nu.
L'atome est composé d'un noyau, et de plusieurs électrons qui sont en mouvement autour du noyau.
Le noyau est constitué de particules appelées « nucléons ». Il existe deux sortes de nucléons :
- les protons, portant chacun une charge élémentaire positive (notée +\text{e}) ;
- les neutrons, ne portant pas de charge électrique.
Le noyau porte donc des charges électriques positives et les électrons portent, eux, une charge élémentaire négative (-\text{e}).
L'écriture conventionnelle d'un atome est liée à sa composition et fait apparaître son numéro atomique \text{Z} et son nombre de nucléons \text{A}.
La représentation symbolique d'un atome permet de déterminer sa composition :
- le nombre de protons est égal au numéro atomique \text{Z} ;
- le nombre de neutrons est égal à la différence entre le nombre de nucléons et le nombre de protons : \text{A – Z} ;
- le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, car un atome est neutre.
La représentation symbolique d'un atome d'aluminium \ce{Al^{27}_{13}} permet de déduire sa composition : 13 protons, 27-13=14 neutrons et 13 électrons.
L'atome et son noyau sont représentés comme des sphères, mais d'ordres de grandeur différents : celui de l'atome est 10^{-10} \text{ m} alors que celui du noyau est 10^{-15} \text{ m} . Le noyau est donc environ 100 000 fois plus petit que l'atome. Entre le noyau et les électrons qui l'entourent, il n'y a rien : l'atome est donc essentiellement composé de vide.
Si un atome était de la taille d'un terrain de football, son noyau aurait la taille d'un puceron.
Le tableau périodique des éléments regroupe tous les atomes. Chacune de ses cases correspond à un atome. On y trouve le nom et le symbole de l'atome ainsi que le numéro atomique qui le caractérise. Ainsi, à l'aide du tableau périodique, on peut donc retrouver le nom d'un atome à partir de son symbole ou de son numéro atomique et inversement.
Les ions
Ion
Un ion est obtenu lorsqu'un atome ou groupe d'atomes a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.
L'atome de cuivre \ce{Cu} peut perdre deux de ses électrons et forme alors l'ion cuivre (II) noté \ce{Cu^{2+}}.
Formation d'un ion
Un ion est par définition non neutre.
- Si l'ion provient d'un atome qui a perdu des électrons (charges négatives), il reste plus de charges positives que de charges négatives. C'est un ion positif appelé « cation ».
- Si l'ion provient d'un atome qui a gagné des électrons, il y aura donc plus de charges négatives que de charges positives. C'est un ion négatif appelé « anion ».
- En perdant deux électrons, l'atome de cuivre \ce{Cu} forme l'ion cuivre \ce{Cu^{2+}}.
- En gagnant un électron, l'atome de fluor \ce{F} forme l'ion fluorure \ce{F^{-}}.
Ion polyatomique
Un ion polyatomique est obtenu lorsqu'un groupe d'atomes a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.
L'ion nitrate \ce{NO3^{-}} est un groupe d'atomes qui contient un atome d'azote et trois atomes d'oxygène. Ce groupe d'atomes porte une charge négative, donc le groupe a gagné un électron.
Pour identifier les ions métalliques dans une solution aqueuse, il suffit d'ajouter quelques gouttes de soude, ou solution d'hydroxyde de sodium (\ce{Na^{+}_{(aq)}}+\ce{Cl^{-}_{(aq)}}), dans le liquide. On observe différents précipités suivant les ions identifiés.
La couleur du précipité permet d'identifier l'ion métallique présent dans la solution aqueuse :
| Réactif | Solution de soude ou d'hydroxyde de sodium (\ce{Na^{+}_{(aq)}}+\ce{Cl^{-}_{(aq)}}) | Solution de nitrate d'argent (\ce{Ag^{+}_{(aq)}}+\ce{NO3^{-}_{(aq)}}) | |||
| Couleur du précipité | Bleu | Vert | Brun rouille | Blanc | Blanc qui noircit à la lumière |
| Ion mis en évidence | Cuivre (II) \ce{Cu^{2+}} | Fer (II) \ce{Fe^{2+}} | Fer (III) \ce{Fe^{3+}} | Zinc (II) \ce{Zn^{2+}} | Chlorure \ce{Cl^{-}} |
Le pH
pH
Le pH (potentiel hydrogène) mesure l'acidité d'une solution. Il n'a pas d'unité et il se mesure à l'aide d'un pH-mètre ou d'un papier indicateur de pH.
Le pH d'une solution aqueuse est compris entre 0 et 14.
- Si le pH est inférieur à 7, la solution est acide.
- Si le pH est voisin de 7, la solution est neutre.
- Si le pH est supérieur à 7, la solution est basique.
Nature des solutions en fonction du pH
Le pH est également une mesure de la concentration en ions hydrogène \ce{H+} et en ions hydroxyde \ce{OH-} présents dans la solution aqueuse :
- Si le pH est égal à 7, la solution contient autant d'ions hydrogène \ce{H+} que d'ions hydroxyde \ce{OH-}.
- Plus le pH est proche de 0, plus la solution est acide et concentrée en ions hydrogène \ce{H+}.
- Plus le pH est proche de 14, plus la solution est basique et concentrée en ions hydroxyde \ce{OH-}.
Lien entre pH et ions hydrogène et hydroxyde
Un jus de citron ayant un pH proche de 3, il contient davantage d'ions hydrogène \ce{H+} que d'ions hydroxyde \ce{OH-}.
Les transformations chimiques
Transformation chimique
Une transformation chimique est l'évolution d'un système chimique, entre un état initial et un état final, par laquelle des substances chimiques réagissent entre elles pour en former de nouvelles.
Lorsqu'on place un morceau de carbone incandescent dans du dioxygène pur, il brûle vivement. Le carbone est consommé et l'eau de chaux permet de mettre en évidence la formation de dioxyde de carbone. La composition du système a évolué, il s'agit donc bien d'une transformation chimique.
Équation de réaction chimique
L'équation de réaction chimique est la modélisation d'une transformation chimique en un processus unique. Les espèces chimiques y sont représentées par leurs formules chimiques (brutes, généralement) :
\text{Réactifs } \ce{->}\text{Produits}
D'après le bilan de la combustion du carbone :
\text{Carbone} + \text{Dioxygène} \ce{->} \text{Dioxyde de carbone}
L'équation de cette réaction chimique est :
\ce{C} + \ce{O_2} \ce{->} \ce{CO2}
Conservation des atomes
Lors d'une transformation chimique, les atomes sont conservés : on retrouve les mêmes atomes du côté des réactifs et des produits. Entre l'état initial et l'état final la composition du système chimique a évolué car les atomes se sont réarrangés.
Le bilan de la combustion du méthane étant :
\text{Méthane} + \text{Dioxygène} \ce{->} \text{Eau}+ \text{Dioxyde de carbone}
L'équation de réaction chimique que l'on obtient dans un premier temps est :
\ce{CH4} + \ce{O_2} \ce{->} \ce{CO2} + \ce{H2O}
Mais cette ébauche d'équation de réaction chimique ne respecte ni la conservation des atomes d'oxygène (qui sont 2 du côté des réactifs et 3 du côté des produits) ni celle des atomes d'hydrogène (qui sont 4 du côté des réactifs et 2 du côté des produits). Pour que ces atomes soient conservés, il faut ajuster le nombre de molécules du dioxygène consommé et d'eau formée :
Dans cet exemple, on équilibre d'abord le nombre d'atomes de carbone, puis le nombre d'atomes d'hydrogène, et enfin le nombre d'atomes d'oxygène.
Conservation de la masse
Au cours d'une transformation chimique, la conservation des atomes a pour conséquence la conservation de la masse. La masse des réactifs qui disparaissent est égale à la masse des produits qui se forment : la masse se conserve.
L'évolution de l'Univers
La structure et l'histoire de l'Univers
L'Univers est composé d'une multitude de galaxies, qui sont d'immenses groupes d'étoiles. Le Soleil est une des étoiles qui composent notre galaxie, nommée « Voie lactée ».
Système solaire
Le système solaire est l'ensemble composé par le Soleil et les astres qui lui tournent autour, notamment les huit planètes. Les huit planètes du système solaire, de la plus proche du Soleil à la plus éloignée, sont : Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.
Le système solaire
Des observations nous ont appris que l'Univers est en évolution, depuis un moment originel nommé « Big Bang ».
Big Bang
Le Big Bang est une théorie qui, à partir de preuves contemporaines, décrit la formation de l'Univers, survenue il y a environ 13,7 milliards d'années.
Dans le modèle du Big Bang, l'Univers originel, qui se résumait à un point très dense et chaud, est entré en expansion. La matière s'est alors organisée au fur et à mesure du refroidissement de l'Univers :
- Les premiers noyaux, principalement d'hydrogène et d'hélium, se sont formés pendant les 300 000 premières années.
- Vinrent ensuite les atomes correspondant.
- Les plus anciennes étoiles et galaxies se sont formées quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, par accrétion des poussières.
- Il y a environ 13 milliards d'années, notre galaxie, la Voie lactée, s'est formée.
- Il y a un peu moins de 5 milliards d'années, le Soleil s'est formé à son tour et le système solaire avec lui.
Année-lumière
L'année-lumière (a.l.) est la distance que parcourt la lumière dans le vide en une année :
1 \text{ a.l.} = 9{,}46.10^{15} \text{ m}
Proxima du Centaure, l'étoile la plus proche de notre système solaire, est située à une distance de d = 3{,}99 \times 10^{16} \text{ m} .
On peut convertir cette distance en années-lumière :
d = \dfrac{3{,}99.10^{16}}{9{,}46.10^{15}}
d = 4{,}22 \text{ a.l.}
L'Univers connu, c'est-à-dire observable par nos instruments, s'étend sur 13,7 milliards d'années-lumière, soit environ 10^{26} \text{ m} . L'être humain se trouve quelque part entre l'infiniment petit et l'infiniment grand.
L'origine des atomes
Les atomes autres que l'hydrogène et dans une moindre mesure l'hélium sont formés dans les étoiles par une succession de fusions nucléaires.
Nucléosynthèse
La nucléosynthèse est le processus par lequel les étoiles fabriquent, à partir d'hydrogène et d'hélium et par une succession de fusions nucléaires, l'ensemble des autres atomes.
Ainsi, hormis les atomes d'hydrogène et certains atomes d'hélium, les atomes qui constituent la matière autour de nous, et même nos corps, ont été produits par des étoiles, d'où l'expression que l'on utilise parfois de « poussières d'étoiles ».
