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.
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)
Les métaux
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.
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).
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.
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.).
Caractérisation d'un échantillon de matière
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.
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.
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.
La masse volumique et la densité
La masse volumique, notée \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 :
d_{eau} = \dfrac{\rho_{eau}}{\rho_{eau}} = 1
La densité du fer est égale à :
d_{fer} = \dfrac{\rho_{fer}}{\rho_{eau}} = \dfrac{7\ 900}{1\ 000} = 7{,}9
Applications
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.
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.
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.