Module # 4 Les propriétés et les transformations de la matière

Qu’est-ce que la matière? La matière est partout dans l’Univers. Les planètes, les étoiles et les galaxies sont composées de matière. Les océans et l’air sont aussi constitués de matière. Non seulement les objets non-vivants comme un livre ou une roche sont fait de matière mais aussi les êtres vivants comme les plantes et les animaux.

Qu’est-ce que la matière? La matière c’est tout ce qui a une masse et qui occupe un volume. Elle est composée de particules (atomes ou molécules) tellement petites qu’elles sont invisible au microscope ordinaire. Ces particules sont au cœur même des propriétés de la matière et des transformations qu’elle subit.

Les propriétés de la matière

Les propriétés de la matière Une propriété est une caractéristique propre à une substance servant à la décrire. Toute substance possède un ensemble de propriétés qui lui est propre.

La masse La masse c’est la mesure de la quantité de matière qui compose un corps. On utilise le kilogramme comme unité de base pour mesurer la masse. L’instrument de mesure dont on se sert pour mesurer la masse est la balance.

La masse et le poids: quelle différence? On confond souvent la masse et le poids. Le poids et une force qui s’exprime en Newtons. Le poids correspond à la force avec laquelle la Terre t’attire vers elle. Sur la Lune, ton poids serait différent mais ta masse, elle, ne changerait pas.

Le volume Toute matière occupe un volume. Le volume c’est la mesure de la place qu’un corps occupe dans l’espace, que ce corps soit à l’état solide, liquide ou gazeux. On n’emploie pas la même unité de mesure ni le même instrument pour mesurer un solide régulier, un solide irrégulier ou un liquide.

La température La température d’une substance ou d’un objet est la mesure de l’état plus ou moins chaud de cette substance ou de cet objet. Dans la vie de tous les jours, l’unité de mesure de la température est le degré Celsius (°C). On mesure la température à l’aide d’un thermomètre.

La température L’état plus ou moins chaud d’une substance ou d’un objet dépend de l’agitation des particules qui composent cette substance ou cet objet. Plus ses particules sont agités et bougent rapidement, plus sa température est élevée.

La dureté La dureté est la capacité qu’a un corps de résister à l’abrasion, à la rayure. Le verre est plus fragile que le bois, car il se brise si on le frappe avec un objet en bois. Par contre, le verre est plus dur que le bois parce qu’il peut le rayer alors que le bois ne peut pas rayer le verre. De même, le diamant peut rayer le verre, mais le verre ne peut pas rayer le diamant. Le diamant est donc plus dur que le verre.

La solubilité La solubilité c’est la capacité qu’a une substance de se dissoudre plus ou moins dans une autre substance. Si vous mettez du sucre ou du sel dans un verre d’eau. Le sucre ou le sel sembleront disparaitre. Le sucre et le sel ne sont pas visibles dans l’eau. On dit que le sucre et le sel sont solubles dans l’eau. Si vous mettez de la poussière de craie ou de la farine dans un verre d’eau, ces deux substances sont bien visibles dans l’eau. On dira qu’elles sont insolubles.

L’acidité et la basicité La mesure de l’acidité ou de la basicité est exprimée par le pH. La valeur du pH d’une substance est représentée par une échelle graduée de 1 à 14. Un acide est une substance dont le pH est inférieur à 7. Une base est une substance dont le pH est supérieur à 7. Si le pH est exactement 7 la substance est neutre.

L’acidité et la basicité

La conductibilité électrique La conductibilité électrique est la capacité qu’a une substance de conduire l’électricité. Les métaux sont généralement de bons conducteurs d’électricité. C’est pourquoi on les utilise pour faire des fils électriques.

La conductibilité électrique Les matériaux qui conduisent l’électricité sont des conducteurs électriques et ceux qui ne la conduisent pas sont des isolants électriques.

La conductibilité thermique La conductibilité thermique est la capacité qu’a une substance de transmettre la chaleur plus ou moins rapidement. Les métaux, comme l’aluminium et le cuivre, sont de bons conducteurs thermiques. C’est pourquoi on les utilise pour fabriquer des poêlons, des casseroles et des marmites.

La conductibilité thermique La laine minérale, la styromousse et le bois sont des mauvais conducteurs de chaleur; ce sont donc des isolants thermiques.

Autres propriétés Il existe de nombreuses autres propriétés de la matière. Par exemple, la ductilité ,qui est l’aptitude à être étiré, et la malléabilité qui est l’aptitude à être déformé par un choc ou par une pression.

La théorie particulaire De nos jours, les scientifiques utilisent la théorie particulaire pour expliquer la structure de la matière. Selon cette théorie, la matière est composée de particules invisibles à l’œil nu.

Les états de la matière La matière existe généralement sous trois états: solide, liquide ou gazeux.

Les solides Un solide a un volume défini et une forme qu’il a tendance à garder, mais qui peut être modifiée. Il est pratiquement incompressible (il ne peut être comprimé de façon significative).

Les liquides Un liquide a un volume défini, mais il n’a pas de forme déterminée. Il est pratiquement incompressible (il ne peut être comprimé de façon significative). Les particules d’un liquide sont également près les unes des autres. Elles restent groupées, mais elles peuvent aller dans toutes les directions.

Les gaz Un gaz n’a pas de volume défini ni de forme déterminée. Il est compressible (il peut être comprimé). Les particules d’un gaz sont très éloignées les unes des autres. Elles ont beaucoup d’énergie et se déplacent rapidement dans toutes les directions. Les particules peuvent même sortir de leur contenant si ce dernier n’est pas scellé.

Le point de fusion Le point de fusion est la température à laquelle une substance passe de l’état solide à l’état liquide.

Le point d’ébullition Le point d’ébullition est la température à laquelle une substance passe de l’état liquide à l’état gazeux.

Les transformations de la matière

Les changements physiques Les changements d’état de la matière sont des changements physiques. Dans de tels changements, les particules de la substance restent les mêmes. De plus, les changements physiques sont réversibles.

Les changements physiques Par exemple, la glace redevient de l’eau liquide lorsqu'elle fond. C’est seulement l’apparence de la substance qui change. Ainsi, l’eau est toujours formée de particules d’eau, qu’il s’agisse de glace, d’eau liquide ou de vapeur d’eau.

Les changements chimiques Contrairement aux changements physiques, les changements chimiques provoquent l’apparition de nouvelles substances qui possèdent leurs propres propriétés. Il est souvent difficile et même parfois impossible d’inverser un changement chimique.

Les changements chimiques Le papier qui se consume et l’essence qui brûle dans le moteur d’une voiture sont deux exemples de changements chimiques. Dans le cas du papier qui brûle, on obtient des nouvelles substances, dont les cendres et le gaz carbonique. Ces deux substances sont très différentes du papier. On ne peut pas recombiner les cendres et le gaz carbonique pour former à nouveau du papier.

Les changements chimiques

La conservation de la masse La masse des substances qui subissent une transformation est toujours égale à la masse des substances qui en résultent. Rien ne se perd, rien ne se crée. Tout se transforme.

La conservation de la masse Exemple1: La masse de l’eau demeurera la même que l’eau soit liquide ou solide. Exemple 2: L’essence qui brûle dans le moteur d’une voiture se combine à l’oxygène de l’air et se transforme en différents produits. La masse de l’essence et de l’oxygène utilisés est la même que la masse de tous les gaz produits.

Les substances pures et les mélanges Une substance pure ne contient qu’une seule sorte de particules, tandis qu’un mélange contient au moins deux sortes de particules. Les mélanges sont des changement physiques.

Les mélanges

Les mélanges hétérogènes Un mélange hétérogène est composé de deux ou de plusieurs substances. Une des caractéristiques d’un mélange hétérogène est que l’on peut distinguer ses différents constituants. Un mélange hétérogène a donc plusieurs phases visibles.

Les mélanges hétérogènes Par exemple, le pain aux raisins est un mélange hétérogène. On distingue deux constituants: la pâte et les raisins. Le bol de céréales est un mélange hétérogène qui a deux phases bien visibles: la phase liquide (le lait) et la phase solide (les céréales).

Les mélanges hétérogènes

Les mélanges homogènes Un mélange homogène est composé de deux ou de plusieurs substances. Une des caractéristiques d’un mélange homogène est que l’on ne peut pas distinguer ses différents constituants. Un mélange homogène n’a donc qu’une phase visible.

Les mélanges homogènes Par exemple, on ne peut pas distinguer les différents constituants du thé (eau, thé infusé, sucre). On dit alors que ce mélange est homogène. Les objets peuvent aussi être des mélange. La cuillère qui est placée devant le verre est faite d’acier. Elle est donc un mélange homogène de fer, de carbone et de nickel.

Les mélanges homogènes

Les solutions Une solution est un mélange homogène dans lequel une substance ou plusieurs substances sont dissoute dans une autre substance. La substance qui est dissoute est le soluté. Ce soluté est dissout dans une autre substance, le solvant. La solution est le mélange homogène du soluté et du solvant.

Les solutions Le soluté d’une solution peut être solide (le sel dans l’eau de mer), Liquide (l’alcool dans l’eau) ou gazeux (le gaz carbonique dans la boisson gazeuse).

Les solutions Si une solution est composée de deux liquides miscibles, c’est-à-dire d‘un liquide qui se mêle avec un autre liquide, le solvant est le liquide qui y est présent en plus grande quantité. L’autre liquide est le soluté.

Les solutions Il y a une limite à la quantité de soluté qu’on peut faire dissoudre dans une quantité de solvant. On dit qu’une solution est saturée lorsqu’elle contient le maximum de soluté qui peut être dissous dans un solvant.

Les solutions en phase solide Dans une solution en phase solide, un solide est dissous dans un autre solide. Le mélange qui en résulte a de nouvelles propriétés. Par exemple, l’or des bijoux n’est jamais de l’or pur. En ajoutant un autre métal à l’or, on obtient un bijou qui résiste mieux à la déformation et à l’usure.

Les solutions en phase liquide Dans une solution en phase liquide, un solide, un liquide ou un gaz est dissous dans un liquide. Par exemple, le café, le thé, les jus et les boissons gazeuses sont des solutions dans lesquelles l’eau est le solvant.

Les solutions en phase gazeuse Dans une solution en phase gazeuse, un gaz est dissous dans un autre gaz. Par exemple, les bouteilles de plongée que l’on utilise pour aller en eaux très profondes sont remplies d’un mélange d’oxygène et d’hélium.

La séparation des mélanges Il est fréquent qu’on doive séparer les constituants d’un mélange. Comme les mélanges sont des transformations réversibles, on peut séparer les substances qui les composent en utilisant la technique appropriée. Voici les principales techniques utilisées pour séparer les constituants d’un mélange.

La décantation La décantation permet aux constituants d’un mélange hétérogène de se séparer sous l’action de la gravité. Cette séparation peut être plus ou moins longue selon les constituants du mélange. On utilise cette technique pour séparer les constituants solides des constituants liquides ou encore deux constituants liquide qui sont non miscibles.

La centrifugation La centrifugation ressemble à la décantation, sauf que le mélange est placé dans un appareil qui tourne à grande vitesse ce qui accélère la séparation des constituants. On appelle cet appareil une centrifugeuse. Quand on ne peut pas attendre que la séparation se fasse par décantation ou par la filtration, on utilise la centrifugation.

Le tamisage Le tamisage consiste à faire passer le mélange à travers un tamis qui a des trous de grosseur déterminée. Cette technique permet de séparer les constituants solides d’un mélange selon leur grosseur. On utilise cette technique pour séparer des mélanges hétérogènes qui ont plusieurs phases solides. On sépare ainsi les plus grosses particules des plus fines.

La filtration La filtration consiste à faire passer un mélange à travers un filtre, habituellement en papier. Le filtre retient les constituants solides et laisse passer les constituants liquides. Le filtre est choisi selon la grosseur des particules solides qui sont à retenir. On utilise cette technique pour séparer les constituants solides des constituants liquide dans les mélanges hétérogènes.

L’évaporation L’évaporation consiste à laisser le constituant liquide du mélange s’évaporer à la température ambiante. On récupère ensuite le solide. On utilise cette technique pour récupérer le constituant solide d’un mélange hétérogène ou le soluté solide d’une solution. On se sert de l’évaporation quand on risque de détériorer le constituant solide en faisant trop chauffer le mélange.

La distillation La distillation consiste à faire chauffer un mélange jusqu’à ébullition afin de récupérer les gaz produits. On refroidit ensuite les gaz produits pour les liquéfier. On utilise cette technique pour séparer les solutés des solvants dans les solutions en phase liquide et pour récupérer les phases liquides des mélanges hétérogène.