Matière :  aspects scientifiques


1 Matière et objets
2 Les états de la matière
3 Transformations de la matière


I Matière et objets

Cette distinction  relève de deux interrogations différentes, mais souvent confondues par le langage courant (surtout pour l'état solide) : on parle par exemple d'une craie, d'un chocolat, d'un plastique...alors que cela signifie, implicitement, un bâton de craie, un carré de chocolat, un morceau de plastique...


Distinguer matière (ou  substance) et objet  revient à examiner "en quoi c'est fait ?"

Cela est d'autant plus facile en passant par ces approches :


•    Mêmes objets mais de matières différentes : règles d'écolier (bois, plastique, aluminium), cuillers (en bois, en plastique, en métal), fils (en laine, en coton, en fer, en raphia,
) etc...


•    Objets différents mais constitués tous de la même matière (ex pour 1'acier : clou, fourchette, trombone, pied de chaise etc... )


•    Objet constitué de plusieurs matières  (en démontant éventuellement, en tout cas  par la pensée ): ex pince à linge en bois ou plastique  et  acier, loupe en métal et verre, ballon en caoutchouc, coton et gaz etc... )

Un petit  échantillon du nombre d'objets ou de matières autour de nous 






Une matière a certaines propriétés (magnétiques, électriques, optiques, thermiques, relatives à sa densité... ). Son étude est du ressort de la physique ou de la chimie (transformations) et relève donc d'une étude scientifique (expérimentations)

Un objet, construit par l'homme, a une fonction, une utilisation. Son étude relève de la technologie. Dans le cadre d'une fabrication d'objet, on parlera de matériau pour qualifier les substances nécessaires à  cette fabrication (ex : bois, carton, ciment, sable, eau...).


Des expérimentations, avec des aimants, des circuits électriques permettront d'observer les propriétés magnétiques ou électriques. Dans d'autres cas, l'étude de la transparence, de la flottaison sont plus délicates, car faisant aussi intervenir les caractéristiques géométriques de l'objet lui même (ex épaisseur, forme). Il faudra comparer à condition égales, par exemple comparer le caractère flotte/coule avec des objets compacts (boulettes).


La distinction entre corps pur (d'un point de vue microscopique une seule sorte de molécules constitutives comme l'eau H2O,  le dioxygène O2, le saccharose  C12H22O11...) et mélange (nous reviendrons plus loin sur ce terme ) n'est pas accessible aux élèves de l'école. On peut se contenter d'une description macroscopique appuyée par le nom courant : en ce sens l'huile, le laiton, le bois, l'air, seront considérés comme des "matières simples", alors qu'en réalité il s'agit de mélanges plus ou moins complexes.


Par contre, dès qu'il est possible en classe de séparer les constituants, on pourra conclure sur l'existence de plusieurs matières présentes (ex l'eau de mer, l'eau du robinet après observation d'un dépôt solide à l'issue d'une évaporation, séparation des graisses du lait en fabriquant du beurre, composition de l'air après expérimentation etc).


Quand au mot élément, assez générique dans le langage courant, il correspond aux différents types d'atomes (éléments chimiques, classés dans le tableau périodique des éléments qu'on trouve dans toute salle de chimie...)  

Ces d'éléments (une centaine) sont donc les constituants fondamentaux de la matière : H, O, C, N, Fe, Ca, etc (j'ai cité ici quelques éléments qu'on rencontre dans la matière organique). Pour davantage d'informations, consultez la page "historique".



II Les états de la matière

Etat solide : forme définie (sauf contraintes mécaniques plus ou moins fortes dépendant aussi bien de la matière elle même que des caractéristiques du morceau de matière), volume défini. Exemple : bois, plomb, caoutchouc, verre.

Etat liquide : prend la forme du récipient et a une surface au repos horizontale , volume défini, (en excluant la légère variation due à la température appelée dilatation qu'on utilise par ailleurs en thermométrie). Ex huile, pétrole...

Etat de gaz : forme et volume non défini. Prend toute la place offerte. Ex air, gaz issu d'un flacon de parfum...

Attention : Vapeur : Synonyme de gaz, mais terme utilisé en général incorrectement.  Une vapeur  est un gaz pour une matière habituellement à l'état liquide ou solide  (ex vapeur d'eau, invisible ; vapeur d'essence, de plomb... ). Ne pas parler "d'eau gazeuse" pour qualifier la vapeur d'eau. Même si cela relève d'un français correct (et scientifiquement correct!), la confusion avec une eau liquide où un gaz (CO2) est dissous sera immédiate!

Cet état dépend évidemment des conditions de température et de pression. Les exemples donnés plus haut sont  implicitement ceux observés dans les conditions courantes (20° C, pression atmosphérique).

Une même matière peut exister sous les 3 états : l'eau peut être à l'état solide (solide plus connu sous le nom de glace !), le fer liquide, l'oxygène et le butane liquides (bouteilles de " gaz ",  butane dans un briquet transparent) etc...

Cette distinction canonique en 3 états parait facile, mais beaucoup de matières qui nous entourent résistent à ce classement. Voici d'autres cas :

Poudres ou, dit différemment,  solides pulvérulents (sable, farine etc...) : comportement global s'apparentant à celui d'un liquide (on peut verser une poudre, il faut la contenir dans un récipient)  mais chaque grain a une forme et un volume bien précis (observations à la loupe). Si on peut les transvaser comme les liquides, la surface peut avoir une forme quelconque.

Etats intermédiaires : pâtes, graisses, gels
etc... Comportement graduel entre solide et liquide, car constitué de parties solides au sein d’un liquide. Fréquent pour des mélanges solides (beurre).

Buée : état liquide (en général, la matière est l'eau), sous forme de petites gouttes, sur une surface.




Etats mixtes où coexistent plusieurs états :

Brouillard = gouttelettes (état liquide) en suspension dans un gaz. (en général l'air).


Le brouillard (en météorologie)

Fumée = particules solides en suspension dans un gaz. (en général l'air.)

Emulsion = gouttelettes (état liquide) en suspension dans un autre liquide (ex : vinaigrette, lait, la couleur blanche du lait est due aux microgouttelettes réparties dans l'eau)

Mousse : ensemble de bulles (contenant un gaz comme l'air ou CO2) dans un liquide qui se présente sous forme de lames fines et sphériques. (Ex : écume marine, mousse d'une bière)

Suspension
  = particules solides en suspension dans un liquide (Ex : eau boueuse, soupe de légumes.)

Des matières synthétisées récemment sont difficiles à classer : cristaux liquides, "matières molles".





Les nuages sont constitués d'eau en petites gouttelettes dans l'air. C'est donc un brouillard (on s'en rend mieux compte en montagne ou en avion). Leur couleur dépend de la lumière les éclairant plus ou moins d'où une variation allant du blanc au gris très sombre. 


 
Les "fumées" d'usine sont en général constituées d'eau. Il est rare maintenant qu'on envoie directement dans l'atmosphère des  vraies fumées (traitement en cheminée pour récupérer ces matières solides). On emploie parfois le mot vapeur. Comme cette eau est visible, on devrait là aussi parler de brouillards.


Si l'orthographe est hasardeuse, la description de l'observation de ce que l'on voit au dessus d'une casserole d'eau bouillante est correcte.




Une classification microscopique est également possible (hors de portée de l'école primaire). Toute matière étant constituée de particules élémentaires: atomes ( fer : Fe), molécules (H2O, CO2...) ou ions ( sel : ions Na+ et Cl-), l'organisation de ces particules à l'échelle microscopique permet de décrire 3 catégories :

Etat gazeux : état dispersé, désordonné

(ex air)



Etat liquide : état condensé, désordonné

(ex eau liquide)

Etat solide cristallin : état condensé, ordonné

(ex sel, fer...)
Les particules sont animées de mouvements de vibration
Etat solide amorphe : état condensé, désordonné ("liquide "figé")

(exemple : verre)
Les particules sont animées de mouvements de vibration

On voit que cette description microscopique permet de retrouver les propriétés des ces états à notre échelle : caractéristiques de l'état gazeux, peu dense et prenant toute la place disponible, surface libre des liquides, forme définie de l'état solide...

Annexe : Unités et mesure
[document .pdf]


III Transformations de la matière

On peut distinguer :

1) Des transformations mécaniques consistant à déformer et travailler la matière à l'état solide
pétrissage de l'argile, sculpture (enlèvement de matière), action de râper, pliage, laminage etc...

2) Des transformations physiques dans lesquelles l’état de la matière change, sous l'action d'une modification de température (ou, moins facile à l'école, d'une modification de pression). Mais la nature de la matière est conservée ("la glace ne devient pas de l'eau" : l'eau passe de l'état solide à l'état liquide). On peut noter le caractère réversible de ces transformations physiques.

Terminologie :

 
Les cas de passages directs de l'état de gaz à solide et inversement semblent rares. Il en existe des exemples :


Formation de givre (vapeur d'eau ---> glace)


Bloc désodorisant (solide--->gaz)



Ces transformations ne se réalisent pas spontanément : Il y a nécessité d'un apport de chaleur pour passer d'un état ordonné à un état désordonné (ex sol--> liq ou liq --> gaz, donc également pour l'évaporation) ; on obtient de la chaleur dans le sens inverse.

Lors d'un changement d'état, pour un corps pur, la température de transition est fixe.

Premier exemple  : 0°C pour la fusion de l'eau (et aussi solidification)

Entre 6 et 9 min, la température n'évolue plus (palier de changement d'état)




Deuxième exemple : 100° C (sous 1013 mBar) pour l'ébullition de l'eau (et aussi condensation)







D'autres exemples

Par contre, dans le cas où on a affaire à un mélange, on n'observe pas de palier lors du changement d'état
Ex : ébullition de l'eau salée :




Un cas important et intéressant est celui de l'évaporation, passage de l'état liquide à l'état de gaz, se faisant en surface et à toute température (ce qui la différencie de l'ébullition, transformation se faisant, à une température fixe, au sein du liquide sous formes de bulles). Là aussi, il y a nécessité d'un apport de chaleur pour que la transformation ait lieu.







La masse est conservée dans tous les changements d'état. Par contre, en règle générale,  il n'y a pas conservation du volume (Exemple le plus net : vaporisation). Autre exemple: passage de l'eau liquide à l'eau solide, visualisable en plaçant une bouteille d'eau au congélateur.


On peut faire figurer dans les transformations physiques les mélanges (un liquide et une autre matière, à l'état solide, liquide ou de gaz).
On parlera de solides solubles (ex sel dans l'eau) ou insolubles (ex sucre dans l'alcool), ou de liquides miscibles (ex eau et alcool ) ou non miscibles ( ex eau et huile).
 

La terminologie consacrée est : homogène ou hétérogène mais cette  formulation est à éviter dans le cadre de l'école.















Il est  possible de récupérer les constituants initiaux, avec une technique appropriée : pour le cas où il n'y a pas dissolution ou mélange (cas des mélanges hétérogènes) : filtration, décantation.

après quelques instants

Filtration d'un mélange hétérogène (solide-liquide)

après quelques instants
Décantation d'un mélange hétérogène (solide-liquide)


après quelques instants
Décantation d'un mélange hétérogène (liquide-liquide)



Pour les mélanges homogènes, ces procédés ne conviennent pas . Il faut utiliser l'évaporation du liquide si on veut récupérer le solide dissous (ex marais salants) ou procéder par distillation si on veut récupérer le liquide (ex désalinisation de l'eau de mer).


En apportant de la chaleur le solvant passe de l'état liquide à gaz. Par recondensation, on récupère donc un liquide pur.


Si on veut récupérer le solide dissous, il faut vaporiser tout le liquide.

Pour un mélange homogène de deux liquides on procède par distillation fractionnée.



Le principe de base est le suivant : le liquide le plus volatil (celui dont la température est la plus basse) se vaporise par ébullition, puis se recondense.

Mais en réalité le liquide 2 s'évapore également , ce qui fait qu'on ne récupérera pas le liquide 1 pur, mais un mélange liq1+liq2 davantage concentré en liq1.


Ceci explique que la distillation d'un vin (à 12° par ex, c'est à dire um mélange de 12% d'alcool et de 88% d'eau) permet d'obtenir non pas de l'alcool pur, mais une "eau de vie", un mélange d'environ moitié eau-moitié alcool.




Cas de l'eau du robinet :

Une eau limpide donc contenir des matières dissoutes (mélange homogène), ce qui peut être génant si en trop grande ou trop faible quantité (une eau pure ne sera pas potable). Voir ici les normes actuelles de potabilité.


3 ) Des réactions chimiques dans lesquelles la nature même de la matière est modifiée. On aura donc une modification des molécules lors d'une réaction chimique. Celle ci étant en général irréversible, on ne peut pas retrouver les matières initialement en présence.

Exemples : combustion d'une bougie : réaction chimique entre la paraffine et l'oxygène de l'air : on obtient de l'eau et du dioxyde de carbone. Cuisson d'un œuf : modification de la structure des protéines (albumine). Réaction entre un cachet effervescent et l'eau (on obtient du dioxyde de carbone).

Il est bénéfique que les élèves constatent ces phénomènes pour éviter des généralisations hâtives. Apporter de la chaleur sur un échantillon de matière peut avoir deux résultats différents. Sur de la glace, on obtient de l'eau liquide. (Avec possibilité de revenir en arrière). Sur un blanc d'œuf translucide, on obtient de manière irréversible un solide blanc et opaque.

Coin labo : Pour expérimenter vous-même des situations autour de la matière


Coin documentaire : historique de la notion de matière




menu