Chapitre 1 : La matière
1/ La diversité de la matière
A/ Activité 1 : matière à notre échelle
Document 1 : Dans un parc d’attraction
Document 2 : Différents types de plastiques
Document 3 : Fer en fusion à 1538 °C et tour Eiffel en fer (acier)
Document 4 : Verre en fusion à environ 1000°C et verrière de la pyramide du Louvre (Paris)
Document 5 : Statues taillées dans du basalte (roche volcanique)
Document 6 : Fourmis sur une branche transportant des feuilles + scarabée sur du lierre
Questions :
1/ Sous quels états physiques peut se trouver la matière qui nous entoure ? La matière peut se trouver sous 3 états physiques : liquide, solide, gazeux.
2/ A l’aide de l’ensemble des documents 1 à 7, complète le tableau suivant en donnant des exemples d’objets.
Métal Matière organique (vivante ou fabriquée par les
êtres vivants)
Matière minérale (matière non organique, non
vivante)
Verre Plastique
Fer
Aluminium du wagon des montagnes russes et de la voiture
Humain
Scarabée
Plantes
Fourmis
Bois du bateau et des arbres
Air
Eau
Basalte
Béton des batiments
Verre des vitres et
de la casserolle
PET, PC, PEBD, PVC, PS etc.
polyester, polyamide des vêtements,
Caoutchouc des pneus
3/ A une température de 20 °C, détermine quel est l’état physique de l’eau, du fer, du verre et de l’air.
Fer : solide Verre : solide Air : gazeux Eau : liquide
4/ Le plastique est-il une matière naturelle ou artificielle (qui n’existe pas dans la nature) ? Le plastique est fabriqué à partir du pétrole : c’est une matière artificielle.
5/ Rédige un court texte expliquant la phrase suivante : « la matière est très diverse » A retenir
La matière qui nous entoure est très variée : métaux, matière minérale, organique, verres, plastiques. Elle peut se trouver sous 3 états physiques (liquide, solide, gazeux) selon les conditions de température, notamment.
Document 7 : L’eau sous ses différents états physiques
B/ Activité 2 : Matière à l’échelle de l’Univers
Pourquoi dit-on que nous sommes des poussières d’étoiles ?
Les étoiles fonctionnent comme de véritables fourneaux alchimiques en transformant au moyen de réactions thermonucléaires leur matériau de base (hydrogène et hélium) en noyaux atomiques plus lourds comme le carbone, l’oxygène, le fer, l’or et la plupart des éléments de la même nature. A la fin de leur vie, elles éjectent leur enveloppe gazeuse, projetant dans l’espace les matériaux qu’elles ont fabriqués. Une nébuleuse planétaire en fin de vie éjecte donc son gaz à des vitesses de 10 à 30 km/s, lequel finit par se diluer dans l’espace interstellaire,
Elément chimique
%
Hydrogène 91,05 Hélium 8,80 Oxygène 0,08 Carbone 0,03 Azote 0,01
Néon 0,01
Silicium 0,003 Magnésium 0,003
Fer 0,003
Somme des 83 autres éléments
0,003
Notre Galaxie, la voie Lactée, est un groupement de plus de 100 milliards d’étoiles (et autres corps qui gravitent autour : planètes, astéroides, comètes, gaz… ). Le soleil n’est qu’une banale étoile, située en banlieue de celle-ci (28 000 années de lumière du centre
galactique). Et la Voie Lactée n’est qu’une banale Galaxie parmi les 100 milliards qui existent dans l’Univers. (J.P Luminet annonce même 1000 milliards de galaxies)
Soleil
Composition chimique approximative de l’univers
« visible »
La planète Terre, 3eme planète rocheuse du Système Solaire, est constituée de plusieurs couches et surtout de minéraux et métaux. Sa masse est estimée à 5 970 000 milliards de milliards de kilogrammes, c’est-à-dire 0,0003 % de la masse du Soleil (ou 330 000 fois plus légère que le Soleil). Son diamètre de 12800 km est environ 109 fois plus petit que le Soleil).
Son atmosphère est riche en azote (78%) et oxygène (21 %), son noyau est riche en fer (85%), son manteau riche en oxygène (44%), silicium (21 %) et magnésium (22,8%).
La planète Jupiter, 5eme planète gazeuse et la plus grande du Système Solaire. Son diamètre de 140 000 km est environ 11 fois plus grand que la Terre. Sa structure est aussi en couches. Elle est
constituée de 86 % d’hydrogène et de 13 % d’hélium
Morceau de basalte du massif central (partie noire). La partie verdâtre centrale est un fragment de roche qui constitue la manteau de la Terre : la péridotite.
Péridotite observé au microscope, constitué de formes géométriques : les cristaux. Les verres ne
contiennent pas de cristaux
l’ensemençant en carbone et en oxygène. Ces éléments indispensables au développement de la complexité chimique seront en partie recyclés dans d’autres étoiles qui naitront ultérieurement.
Quant au vestige gazeux d’une supernova (associée aux étoiles de grandes masses), il agit comme un bulldozer en entrant en collision avec le nuage de gaz de la Galaxie pour la naissance de nouvelles étoiles, et comme fécondateur en enrichissant le milieu interstellaire en éléments lourds (fer, magnésium, néon…). Les étoiles s’enrichissent du passé de leurs ancêtres.
Il y a 4,5 milliards d’année, lorsque le Système Solaire s’est condensé, la Galaxie était déjà vieille de 9 milliards d’années et nombre d’étoiles massives avaient déjà brulé, dispersant leurs « cendres » aux 4 coins de l’espace galactique. Notre planète n’a fait que recueillir les éléments lourds fabriqués dans le cœur des étoiles depuis longtemps disparues. Nous sommes donc bel et bien faits de poussières d’étoiles, puisque tous les atomes qui nous composent (à l’exception de l’hydrogène) ont été forgés dans des étoiles disparues depuis plus de 65 milliards d’années. L’hydrogène, lui a été fabriqué bien plus tôt, il y a 13,8 milliards d’années, durant les premières secondes qui ont suivi le fameux
« Big Bang ». L’eau sur terre, composée d’oxygène et d’hydrogène, qui compose à 70 % notre corps, et que nous buvons tous les jours, proviendrait intégralement du bombardement de comètes et astéroïdes glacés, il y a 4,5 milliards d’années.
Questions :
1/ Quelles sont les 5 couches qui constituent la planète Terre ?
La croute, la manteau inférieur, le manteau supérieur, la noyau externe et le noyau interne.
2/ Cite deux différences au moins entre la matière de Jupiter et la matière de la Terre
La matière de Jupiter est principalement constituée d’hydrogène et d’hélium contrairement à la Terre (Fer, silicium, oxygène, magnésium). De plus, sur Jupiter, la majorité de la matière se trouve sous forme gazeuse et liquide tandis que sur Terre, elle est principalement sous forme solide.
3/ La composition chimique de L’Univers ressemble-t-elle plus à celle de la Terre ou de Jupiter ? Elle ressemble plus à la composition de Jupiter (91% ≈ 86% d’hydrogène et 8,8 % ≈ 13 % d’hélium)
4/ Combien d’étoiles y a-t-il environ dans l’Univers ?
100 milliards de Galaxies x 100 milliards d’étoiles par Galaxie = 10 000 milliards de milliards d’étoiles ou (100 000 milliards de milliards d’étoiles selon JP Luminet)
5/ Pourquoi peut-on dire que nous sommes des poussières d’étoiles et du Big Bang ?
Les atomes qui nous constituent ont été créés par des explosions d’étoiles dans le passé, sauf l’hydrogène qui aurait été créé juste après le Big Bang. (quelques secondes pour les protons, 380 000 ans pour l’atomes d’hydrogène dû au découplage matière/rayonnement)
6/ Quelle est le diamètre du Soleil ? 109 x 12800 ≈ 1 400 000 km
7/ Quelle est la masse approximative du soleil (question pour expert) ?
330 000 x 5 970 000 milliards de milliards = 1971 milliards de milliards de milliards de kilogrammes 7/ Cite une roche très abondante dans le manteau terrestre.
On peut citer la péridotite (d’autres types de roches présentes dans les autres couches : le granit, la rhyolite, le gabbro, le basalte…)
8/ Bilan à compléter et à retenir :
La matière est partout présente dans l’Univers : La planète Terre se situe dans la galaxie appelée Voie Lactée et est constituée majoritairement de métaux (comme le fer) et de roches minérales comme la péridotite.
Les masses (en kilogrammes) et les tailles (en mètres ou kilomètres) des planètes et des étoiles sont très grands par rapport aux objets du quotidien.
2/ Caractériser un échantillon de matière
A/ TP : Quelques caractéristiques de la matière
Un échantillon de matière possède :
Différentes propriétés physico-chimiques : masse, volume, conductivité électrique, thermique, densité, solubilité, élasticité, magnétisme, couleur, solubilité, miscibilité…
Différentes caractéristiques : forme, matériau brut ou moulé, oxyde ou minerai…
Rappels avant de commencer :
POUR LES EXPERTS : La densité d’un solide par rapport à l’eau pure est obtenue en divisant la masse d’un volume de solide par la masse d’un même volume d’eau. Plus un objet est petit et lourd, plus il est dense.
Exemple : calcul de la densité de l’aluminium 1 cm3 d’aluminium a une masse de 2,7 g
1 cm3 d’eau a une masse de 1,0 g
POUR TOUT LE MONDE, on retiendra : la densité de l’eau est 1. Si on plonge un échantillon de matière et qu’il coule, alors sa densité est supérieure à 1. Sinon, s’il flotte, sa densité est inférieure à 1.
Objectif :
Mesurer et évaluer, grâce à des expériences et une démarche scientifique, les propriétés de quelques matériaux
VOLUME
Grandeur exprimant l’espace
Plus l’objet est volumineux, plus il occupe de place.
Unité : mètre cube (m3) ou sous multiple
Instrument de mesure : éprouvette ou règle
Exemple :
Le coussin en plume et le coussin en pierre ont le même volume et pas la même masse.
MASSE
Grandeur exprimant la quantité de matière
Plus l’objet est massique, plus il est lourd.
Unité : kilogramme (kg) ou sous multiples
instrument de mesure : balance Exemple :
La balle de pétanque e le ballon de basket ont la même masse et pas le même volume.
d(aluminium) = masse d’1 cm3 d’aluminium masse d’1 cm3 d’eau = 2,7
1 = 2,7 Matériel mis à disposition :
Quelques cylindres, sel, sucre, plastique, matériel de mesure.
Questions : Quels matériaux de ta trousse (capuchon de stylo, gomme, taille-crayon, paire de ciseaux etc…) ont une densité supérieure à 1?
Schéma de l’expérience légendé
On plonge dans l’eau des objets et on regarde s’ils flottent ou s’ils coulent
Objet
Capuchon de tube de colle en polypropylène
Ciseaux en fer
(acier) Gomme en PVC Taille crayon en acier
Cylindre en bois
Flotte ou coule
dans l’eau ? Flotte Coule Coule Coule Flotte
densité inférieure à 1 Supérieure à 1 Supérieure à 1 Supérieure à 1 Inférieure à 1 Conclusion: Le fer, le PVC ont une densité supérieure à 1 car ils coulent
En plus : Pèse les différents objets avec une balance et indique leur masse dans la dernière ligne du tableau (en g)
Objet
Capuchon de tube de colle en polypropylène
Ciseaux en fer
(acier) Gomme en PVC Taille crayon en acier
Cylindre en bois
Masse (en g) 5,2 g 104,1 g 108,2 g 26,1 g 19,2 g
Question : Quels objets du tableau ci-dessous conduisent le courant électrique ?
N.B : On appelle conducteur électrique un matériau qui laisse passer le courant.On appelle isolant électrique un matériau qui ne laisse pas passer le courant.
Expérience proposée : Je réalise un circuit électrique en série avec une pile, des fils et une lampe, l’objet à tester, des pinces crocodiles.
Résultats d’expériences :
Objet En quelle matière est l’objet ? Résultat
Ciseaux Fer La lampe s’allume
Règle ou stylo en plastique Plastique La lampe ne s’allume pas
Verre de l’ampoule Verre La lampe ne s’allume pas
Morceau de Bois Bois La lampe ne s’allume pas
Mine de crayon à papier Graphite La lampe s’allume
Gomme Caoutchouc La lampe ne s’allume pas
Morceau de cuivre Cuivre La lampe s’allume
eau
Bilan : le fer, le graphite et le cuivre sont des conducteurs électriques alors que les autres sont des isolants électriques.
Question : Parmi tous les matériaux utilisés précédemment lors des deux expériences, lesquels sont attirés par un aimant ?
Expérience proposée : Je prends un aimant et je le passe au-dessus de chaque matériau. Si l’objet est attiré, c’est qu’il est magnétique.
Bilan : Seul le fer (acier) est attiré par un aimant.
Certains matériaux conduisent mieux la chaleur que d’autres. Plus un matériau est conducteur thermique, plus un glaçon placé à l’air libre sur ce matériau fondra rapidement.
Question : A ton avis, un glaçon placé à l’air libre fondra-t-il plus vite sur du bois, du polystyrène ou de l’aluminium ou du carrelage ?
Pour moi, c’est sur l’aluminium que le glaçon fondra le plus rapidement car quand je pose ma main dessus, j’ai l’impression qu’il parait plus froid.
Expérience n°1 proposée par le professeur : 3 glaçons sont placés à l’air libre sur une plaque en bois, du polystyrène, du carrelage et de l’aluminium.
1/ Qu’observes -tu au bout de 45 min ? Les glaçons fondent plus ou moins vite.
2/ Interprète les résultats en classant les matériaux du meilleur conducteur thermique au moins bon conducteur thermique ?
Classement de la conduction thermique : Aluminium > carrelage > bois > polystyrène
Autre expérience possible : étoiles à métal avec cire de bougie ;
https://fr.wikiversity.org/wiki/Exp%C3%A9riences_autour_des_cinq_sens/Cinq_sens:_le_toucher
Expérience « bis » pour l’élève : Prendre un morceau de fer et un morceau de cuivre identique et chauffer le bout avec un briquet. Mesurer la durée approximative que vous pouvez tenir le métal.
Durée tenue avec le cuivre : 20 s Durée tenue avec le fer : 80 s
Question : Quel matériau est le meilleur conducteur ? C’est le cuivre car on peut le tenir moins longtemps
Applications concrètes :
Pourquoi a-t-on plus froid aux pieds quand on marche sur du carrelage que sur du bois ? Le carrelage est un meilleur conducteur et dissipe plus facilement l’énergie thermique du corps.
(video on n’est pas que des cobayes https://www.youtube.com/watch?v=oDM4rwHQLZE )
Pourquoi les casseroles ont un manche en bois plutôt qu’un manche en aluminium ? Le bois est un moins bon conducteur, on a moins de risque de se brûler en saisissant la casserole chaude.
Pourquoi les grands chefs cuisiniers utilisent des casseroles en cuivre plutôt qu’en acier ?
L’acier est un moins bon conducteur que le cuivre. La chaleur se répartit beaucoup mieux et plus rapidement dans une casserole en cuivre.
Réalise une expérience avec un morceau de calcaire (craie) et de l’eau de pluie acidifiée pour montrer la dégradation. Décris ce que tu observes, à l’aide d’un schéma ou d’une phrase :
Bilan : La matière peu subir des transformations chimiques : des substances apparaissent et d’autres disparaissent. C’est le cas ici pour la statue en calcaire où l’eau acide détruit le calcaire.
acide
craie
Effervescence : dioxyde de carbone
Document: Quand l’eau de pluie est riche en dioxyde de carbone, elle devient acide. Ces pluies sont responsables de la dégradation de certains monuments en calcaire. Cette statue en témoigne.
Remarque : Les métaux peuvent s’oxyder.
L’élasticité d’un matériau est la capacité à reprendre sa forme initiale après une déformation.
Question : Quel matériau est le plus élastique : la pâte à modeler ou le caoutchouc ?
Expérience proposée : On étire l’objet avec ses mains et on regarde s’il reprend sa forme d’origine facilement et rapidement après cette déformation.
Résultat: Le caoutchouc reprend sa forme instantanément alors que la pâte à modeler ne la reprend que partiellement et lentement.
Conclusion: Le caoutchouc est le matériau le plus élastique.
Chaque adolescent a sur sa tête entre 120 000 et 170 000 cheveux d’environ 80 micromètres d’épaisseur ( micromètre = 0,000 1 cm = 1 dix millième de mètre). Bien que très fin, un cheveu est très résistant. Un seul cheveu est capable de soutenir une masse importante.
En utilisant un microscope, on peut observer les cellules qui constituent un cheveu.
Lorsqu’un cheveu est abimé, il est moins résistant à cause des cellules qui s’écartent. On dit que les cheveux fourchent. Il est temps de les couper.
En réalisant une expérience, réponds à la question :
Quelle masse un cheveu est-il capable de soulever ?
Tu expliqueras comment tu as fait.
Un cheveu est capable de soutenir une masse de 100 g. Au-delà, il casse.
On considère qu’une personne a 150 000 cheveux sur sa tête. Tu viens de trouver, à l’aide de ton expérience, combien de grammes pouvait soulever UN cheveu ( tu prendras 100 g sinon)
Questions : Quelle masse peuvent soutenir tous les cheveux de la tête si on les réunit en une tresse ? 150 000 cheveux x 100 grammes = 15 000 000 g = 15 000 kg
Une tresse de cheveux peut soutenir 15 000 kg.
Explique la photo 3. Les femmes, qui pèsent environ 50 kg, peuvent être suspendus par leurs cheveux
Si on suspendait la personne la tête vers le bas avec une voiture de 1500 kg accrochée à la tresse de cheveux, que se passerait-il ? Commente…
Masse de 100 g. Au-delà, le cheveu casse.
cheveu
Le problème est que le cuir chevelu va s’étirer et être arraché avant que les cheveux ne cassent. C’est une expérience dangereuse. (expérience avec les cobayes : https://www.youtube.com/watch?v=gYNhiIO6BbM )
B/ Bilan
La matière est caractérisée par sa densité (liée à la masse et au volume), son état physique (solide, liquide, gazeux) et des propriétés comme la conductivité électrique et thermique, l’élasticité, la réactivité
chimique, le magnétisme … C’est ce qui permet de différencier tous les échantillons de matière.
Résumé en image :
Matériel TP :
Densité : bouchon, bécher, cylindre bois
Magnétisme : aimants
Conductivité électrique : générateur, lampe, 3 fils dont 2 testeurs, morceau de cuivre
Conductivité thermique : bois, alu, polystyrène carrelage 4 glaçons + Etoile avec cire (élève plaque acier et cuivre + briquet)
Transformation chimique : calcaire + acide ou bicarbonate et vinaigre.
