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La matière Cours

À notre échelle, la matière est classée en trois familles de matériaux qui se distinguent par leurs propriétés physico-chimiques. Ces propriétés définissent le domaine d'utilisation des matériaux. Elles permettent également de les séparer, notamment dans le but de les recycler.

I

Les différents 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
  • Les matériaux organiques
  • Les matériaux minéraux (verres ou céramiques)
A

Les métaux

Métaux

Les métaux sont des corps qui se caractérisent par une très bonne conduction électrique et thermique et aussi par un aspect brillant (lorsqu'ils sont polis).

Le fer, le cuivre, le plomb et le zinc sont des métaux.

-
Échantillons de métaux divers

On rencontre les métaux dans le sol, à l'état naturel ou combinés avec d'autres éléments.

On peut créer des alliages métalliques en mélangeant des métaux entre eux ou avec d'autres matériaux.

Le bronze est un alliage résultant du mélange de deux métaux : le cuivre et l'étain.

L'acier est un alliage résultant du mélange d'un métal, le fer, et d'un non-métal, le carbone.

B

Les matériaux organiques

Matériaux organiques

Les matériaux organiques sont ceux qui proviennent d'organismes vivants (végétaux ou animaux) ou des produits de leur décomposition (le pétrole).

Le tissu le plus utilisé est le coton. Ses fibres sont obtenues à partir d'une fleur, c'est donc une matière organique végétale.

-
Fleur de coton

commons.wikimedia.org

La laine est obtenue à partir des moutons, c'est donc une matière organique animale.

-
Un mouton

commons.wikimedia.org

Le pétrole contient des hydrocarbures, matière première des matières plastiques.

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Différents objets en matière plastique

commons.wikimedia.org

L'adjectif "plastique" signifie que ces matériaux prennent facilement une forme voulue, en utilisant des moules.

Il ne faut pas parler "d'objets en plastique", car il n'existe pas un matériau appelé “plastique”, mais plusieurs matériaux plastiques.

C

Les matériaux minéraux

Matériaux minéraux

Les matériaux minéraux 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.).

Les céramiques sont obtenues le plus souvent après la cuisson d'argile.

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Des récipients en céramique

commons.wikimedia.org

Les verres sont obtenus après cuisson du quartz présent dans le sable.

-
Du verre en cours d'élaboration

commons.wikimedia.org

II

Caractérisation d'un échantillon de matière

A

Les conductivités thermiques et électriques

  • Un matériau est un bon conducteur thermique ou électrique s'il laisse passer facilement la chaleur ou l'électricité.
  • Dans le cas contraire, on dira qu'il est isolant.

On peut tester la conduction électrique d'un échantillon de matière à l'aide d'un circuit électrique simple.

-

Test de la conduction électrique

Les métaux sont de très bons conducteurs thermiques et électriques, alors que les matériaux minéraux (verres et céramiques) et les matériaux organiques sont souvent de bons isolants.

B

Le magnétisme

Les champs magnétiques naturels (comme celui de la Terre) ou artificiels peuvent avoir des effets sur certains matériaux.

En présence d'un aimant :

  • Certains objets sont soit attirés par celui-ci, soit repoussés, ils sont dits magnétiques.
  • D'autres peuvent seulement être attirés, ils sont ferromagnétiques.
  • Enfin, certains restent insensibles, ils sont dits non-magnétiques.
  • Le fer, le nickel, le cobalt ou les alliages contenant l'un de ces métaux sont ferromagnétiques.
  • Contrairement à ce que l'on peut penser, la majorité des métaux sont non-magnétiques (comme l'aluminium et le cuivre par exemple).
  • Généralement, les matériaux organiques et les céramiques sont non-magnétiques.

On peut tester les propriétés magnétiques d'un matériau en approchant de lui un aimant ou une boussole (aiguille aimantée). S'il influe dessus, il est magnétique, sinon il ne l'est pas.

-

Test des propriétés magnétiques

C

La masse volumique et la densité

La masse volumique, notée \(\displaystyle{\rho}\), d'un matériau est la masse d'un litre de ce matériau. Elle permet de classer les objets les uns par rapport aux autres en prenant en compte leur "lourdeur".

La masse volumique de l'eau est de 1000 g/l. Cela signifie que la masse d'un litre d'eau est 1000 g.

La masse volumique du fer est de 7900 g/l. On en déduit que le fer est 7,9 fois plus lourd que l'eau.

Il est beaucoup plus pratique de comparer la densité des éléments que leur masse volumique.

Densité

La densité d'un matériau est le rapport de la masse volumique de ce matériau et de la masse volumique de l'eau :

\(\displaystyle{d = \dfrac{\rho_{matériau}}{\rho_{eau}}}\)

La densité de l'eau est donc égale à :

\(\displaystyle{d_{eau} = \dfrac{\rho_{eau}}{\rho_{eau}} = 1}\)

La densité du fer est égale à :

\(\displaystyle{d_{fer} = \dfrac{\rho_{fer}}{\rho_{eau}} = \dfrac{7\ 900}{1\ 000} = 7,9}\)

  • Lorsque la densité d'un matériau est inférieure à 1, il sera plus "léger" que l'eau. Il flottera donc sur l'eau.
  • Lorsque sa densité est supérieure à 1, il coulera dans l'eau.
-

Matériau plus dense que l'eau lâché dans l'eau

III

Applications

A

Les méthodes de tri des déchets

À cause d'une pollution de plus en plus importante et des prix de plus en plus élevés des matières premières, il est devenu indispensable de mieux éliminer et de recycler les déchets. Pour ces deux principales raisons, un tri sélectif doit être réalisé.

Dans un premier temps, il est effectué manuellement, puis de nombreuses techniques d'automatisation se sont mises en place. Ces déchets sont très souvent réduits à l'état de miettes, puis les propriétés des matériaux sont alors exploitées.

1

En utilisant les propriétés magnétiques

L'extraction des matériaux magnétiques se fait à l'aide d'aimants permettant de les extraire en les séparant des autres déchets non magnétiques.

-
Tri des matériaux en fonction de leurs propriétés magnétiques
2

En utilisant les propriétés électriques

Les bons conducteurs électriques peuvent également être séparés des matériaux isolants.

-
Tri des matériaux en fonction de leurs propriétés électriques
3

En utilisant les différences de densité

Les différences de densité des déchets peuvent également être mises à contribution. Après avoir émietté des déchets plastiques, il suffit de les introduire dans des cuves d'eau (souvent mélangée à d'autres produits, pour rendre le tri plus efficace). On parle de tri par flottaison.

Ces déchets, sous forme de miettes, couleront au fond de l'eau si leur densité est supérieure à 1 ou flotteront à la surface de l'eau si leur densité est inférieure à 1. Par exemple, les miettes de bouteilles plastiques couleront, alors que les bouchons de ces mêmes bouteilles flotteront.

-
Tri des matériaux en fonction de leur densité
B

Le recyclage

Même à l'état de déchet, certains matériaux peuvent être réemployés pour la construction d'objets, de machines, etc. On parle alors de recyclage.

L'acier et le verre sont des matériaux recyclables à l'infini. S'ils sont convenablement triés, ils pourront servir à de multiples reprises.

Les matières plastiques peuvent être recyclables, mais parfois elles sont plutôt incinérées à cause du coût trop élevé du recyclage. Cela permettra néanmoins de produire de l'énergie thermique, qui pourra être convertie en énergie électrique.