Matière et matériaux

Les notions à connaître

Familles de matériaux

On distingue les matériaux métalliques (fer, cuivre, alliages comme l'acier ou le laiton), organiques (plastiques, bois, caoutchouc), minéraux (verre, céramique, béton) et composites (association de plusieurs matériaux, comme la fibre de carbone dans une résine). Exemple : un vélo peut combiner un cadre en aluminium (métallique), une selle en polymère (organique) et une fourche en composite carbone.

Propriétés des matériaux

Le choix d'un matériau à partir d'un cahier des charges s'appuie sur ses propriétés : électriques (résistivité $\rho$), thermiques (conductivité, résistance thermique surfacique), mécaniques (dureté, élasticité), optiques (indice de réfraction, transparence), magnétiques et chimiques (résistance à la corrosion). Exemple : le cuivre, de résistivité $\rho = 1{,}7 \times 10^{-8}\ \Omega\cdot\text{m}$, est choisi pour les câbles électriques.

Cycle de vie d'un matériau

Ensemble des étapes de la vie d'un matériau : extraction des matières premières, production industrielle, utilisation, puis fin de vie (recyclage, valorisation, déchet). Il conditionne l'impact environnemental d'un choix technologique. Exemple : l'aluminium est très énergivore à produire (environ $13\,000\ \text{kWh}$ par tonne) mais recyclable presque à l'infini avec seulement $5\,\%$ de cette énergie.

Schéma de Lewis

Représentation d'une molécule où chaque liaison covalente est un trait entre deux atomes et où figurent les doublets non liants. On sait l'établir pour l'eau, le dioxygène, le dioxyde de carbone et le chlorure d'hydrogène. Exemple : dans la molécule d'eau $\text{H}_2\text{O}$, l'atome d'oxygène porte $2$ doublets liants (vers les H) et $2$ doublets non liants.

Molécules organiques : alcanes, alcènes, alcools

Les alcanes ont pour formule brute $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$ (liaisons simples), les alcènes $\text{C}_n\text{H}_{2n}$ (une double liaison C=C) et les alcools portent le groupe hydroxyle $-\text{OH}$ ; l'acide carboxylique porte le groupe $-\text{COOH}$. Exemple : le butane $\text{C}_4\text{H}_{10}$ est un alcane ($n = 4$ : $2 \times 4 + 2 = 10$ atomes d'hydrogène), et l'éthanol $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ est un alcool.

Masse molaire et quantité de matière

La masse molaire moléculaire $M$ (en $\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) est la somme des masses molaires atomiques des atomes de la molécule ; la quantité de matière vaut $n = \dfrac{m}{M}$. Exemple : $M(\text{CO}_2) = 12{,}0 + 2 \times 16{,}0 = 44{,}0\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, donc $88\ \text{g}$ de $\text{CO}_2$ représentent $n = \dfrac{88}{44} = 2{,}0\ \text{mol}$.

Concentration d'un soluté

La concentration massique vaut $C_m = \dfrac{m}{V}$ (en $\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$) et la concentration molaire $C = \dfrac{n}{V}$ (en $\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$) ; elles sont liées par $C_m = C \times M$. Lors d'une dilution, la quantité de soluté se conserve : $C_1 V_1 = C_2 V_2$. Exemple : $8{,}0\ \text{g}$ de soude ($M = 40{,}0\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) dans $500\ \text{mL}$ donnent $C_m = 16\ \text{g}\cdot\text{L}^{-1}$ et $C = 0{,}40\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$.

Combustion

Réaction exothermique entre un combustible (alcane, alcool...) et un comburant (le dioxygène). La combustion complète produit du dioxyde de carbone et de l'eau ; incomplète, elle produit aussi du monoxyde de carbone (toxique) ou du carbone. L'énergie libérée vaut $E = m \times PC$ où $PC$ est le pouvoir calorifique. Exemple : brûler $2{,}0\ \text{kg}$ de butane ($PC = 45{,}6\ \text{MJ}\cdot\text{kg}^{-1}$) libère $E = 91{,}2\ \text{MJ}$.

Les erreurs à éviter en physique-chimie et mathématiques

• ✗ Confondre concentration massique et concentration molaire, ou mélanger leurs unités.

  ✓ $C_m$ en $\text{g}\cdot\text{L}^{-1}$ et $C$ en $\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$, reliées par $C_m = C \times M$. Vérifie toujours l'unité demandée dans l'énoncé.

• ✗ Oublier de convertir le volume en litres dans $C_m = \dfrac{m}{V}$ : calculer $\dfrac{5{,}0}{250} = 0{,}02\ \text{g}\cdot\text{L}^{-1}$ pour $5{,}0\ \text{g}$ dans $250\ \text{mL}$.

  ✓ $V = 250\ \text{mL} = 0{,}250\ \text{L}$, donc $C_m = \dfrac{5{,}0}{0{,}250} = 20\ \text{g}\cdot\text{L}^{-1}$.

• ✗ Équilibrer une équation de combustion en modifiant les formules des molécules (écrire $\text{CO}_3$ ou $\text{H}_3\text{O}$).

  ✓ On n'ajuste QUE les nombres stœchiométriques devant les formules, jamais les formules elles-mêmes : $\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \to \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$.

• ✗ Inverser oxydant et réducteur : dire que l'oxydant est l'espèce qui est oxydée.

  ✓ L'oxydant CAPTE des électrons et subit une RÉDUCTION ; le réducteur CÈDE des électrons et subit une OXYDATION. Le nom désigne ce que l'espèce fait subir à l'autre.

• ✗ Croire qu'une combustion incomplète est simplement « moins efficace » sans danger.

  ✓ Elle produit du monoxyde de carbone $\text{CO}$, gaz inodore et mortel : c'est le risque majeur des chauffages d'appoint mal ventilés. D'où détecteurs de CO et aération obligatoire.

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

1. Quelle est la masse molaire du dioxyde de carbone $\text{CO}_2$ ? (masses molaires atomiques : $M(\text{C}) = 12{,}0$ ; $M(\text{O}) = 16{,}0\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$)
2. Le PVC (polychlorure de vinyle), utilisé pour les gaines électriques, appartient à la famille des matériaux :
3. Quel est le groupe caractéristique de la fonction alcool ?
4. On dissout $5{,}0\ \text{g}$ de sel dans $250\ \text{mL}$ d'eau. Quelle est la concentration massique de la solution ?
5. Quelle est l'équation ajustée de la combustion complète du méthane $\text{CH}_4$ ?