Identification des matériaux constituant un objet

Programme de la classe de seconde ( programme officiel )

Identification des matériaux constituant un objet :

Un objet peut être constitué de plusieurs matériaux :
exemple : une table = bois + fer(boulons d'assemblage)

Matériaux :

à l'état gazeux : air, butane, gaz carbonique
à l'état liquide : eau, huile, lait
à l'état solide : bois
solides métalliques : fer, cuivre, aluminium
solides mous : matières plastiques
cas particulier : verre (pâte tellement visqueuse qu'elle paraît solide)
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les 3 états de l'eau

Selon la température, l'état d'un matériau change :
T < 0° : glace (ou neige)
0° < T < 100° : liquide
100° < T : vapeur
De même, tous les matériaux se liquéfient (fondent) puis se vaporisent quand la température augmente
(A moins qu'une réaction chimique due à la température ne change leur nature :
Un steack que l'on chauffe trop ne fond pas, mais se transforme en charbon)

Pourquoi la chaleur fait fondre la glace, puis vaporise l'eau ?
1) Les molécules d'eau s'attirent naturellement entre elles (l'attraction).
2) Quand on chauffe de l'eau, on lui apporte de l'énergie. Cette énergie fait vibrer les molécules d'eau. C'est que l'on appelle l'agitation thermique.

Quand il fait très froid (T < 0°), les molécules d'eau se collent les unes aux autres de manière définitive, ce qui donne la glace solide (l'attraction est plus forte que l'agitation thermique).
Quand on chauffe (0° < T < 100°), les molécules se mettent à vibrer et se décrochent les unes des autres, mais sont immédiatement attirées par une autre molécule voisine, ce qui donne l'eau liquide et qui lui permet de prendre n'importe quelle forme.
Si l'on continue de chauffer (T > 100°), l'agitation des molécules devient telle qu'elles se séparent complètement, ce qui donne la vapeur d'eau (l'agitation thermique est plus forte que l'attraction).
Quand T = 0° exactement : la glace est en équilibre avec l'eau. La température reste à 0° tant qu'il reste de la glace et ne recommencera à augmenter que lorsque toute la glace aura fondu.
Quand T = 100° exactement : l'eau liquide est en équilibre avec sa vapeur. La température reste à 100° tant qu'il reste de l'eau liquide et ne recommencera à augmenter que lorsque toute l'eau se sera vaporisée. (La cuisson au bain-marie utilise cette propriété pour cuire à la température de 100° exactement)

La matière est "quantifiée" :

Elle n'est pas continue, mais formée d'un grand nombre entier d'éléments "élémentaires" appelés molécules :
On ne peut pas diviser indéfiniment l'eau contenu dans un verre.
On arrive à une molécule unique constituée d'un atome d'Oxygène et de 2 atomes d'Hydrogène liés ensembles.
Si l'on casse la molécule d'eau, elle cesse d'être de l'eau, mais devient de l'Oxygène et de l'Hydrogène.
L'eau est un corps composé car elle est composée de plusieurs types d'atomes.
Elle est définie par sa formule chimique : H₂O (2 atomes d'Hydrogène + un atome d'Oxygène )
La rouille qui apparaît sur le Fer est un oxyde de fer composé de Fer et d'Oxygène : FeO₂

corps simple : Fe, H₂, ... du tableau périodique.
corps composé : eau (H₂0), ... de molécule formée de plusieurs corps simples.
corps pur : eau distillée, ... : ne contient qu'un seul type de molécules.
mélange : eau salée (eau + sel), ... : contient plusieurs types de molécules

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Les atomes

Il y a 92 atomes dans la nature, comme l'Hydrogène (H), l'Oxygène (O), le Fer (Fe), le Cuivre (Cu).
Qu'est-ce qu'un atome ?
Ils ont chacun un symbole chimique (Ce symbole chimique est international : en anglais : Iron (Fe)).
(Tungstène (W) car Tungstène se dit Wolfram en allemand)
Ils se différentient par leur nombre d'électrons : l'Hydrogène a 1 électron, l'Oxygène a 8 électrons, le Fer a 26 électrons.
On trouve tous ces renseignement dans le tableau périodique des élements .
Un atome possède un noyau (formé de protons (positifs) et de neutrons (neutres)) et son "cortège" d'électrons (négatifs).
Les protons ont une masse environ 2000 fois plus grande que celle des électrons, pourtant
Les électrons et les protons ont exactement la même charge électrique au signe près.
L'atome est neutre : il possède autant d'électrons (négatifs) que de protons (positifs) .
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dimension d'un atome (ordre de grandeur)

Il y a N_A=6.022 10²³ atomes de Fer (Fe) dans 55.845 grammes de Fer.
N_A s'appelle le Nombre d'Avogadro. (définition : Une mole contient N_A molécules.)
Masse volumique du Fer 7800 kg/m³ (déf.: Masse volumique = masse / volume)
=> volume(55.845 grammes de Fer) = 1 m³ / 7800 kg x 55.845 10^-3 kg
volume(55.845 grammes de Fer) = 7.16 10^-6 m³
volume(1 atome de Fer) = volume / N_A = 7.16 10^-6 m³ / 6.022 10²³ = 1.189 10^-29
si l'atome est un cube, côté du cube : a = racine cubique(volume) = 0.228 10^-9 m
dimension = 0.23 nm (nanomètre)
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Les réactions chimiques et corps chimiques

Un corps chimique composé est obtenu par une réaction chimique entre des corps simples.
Exemple : l'eau (H₂O) est formé par la combustion de l'Hydrogène dans l'Oxygène.
Comment ?
Les électrons dans l'atome se rangent par couches d'électrons, les propriétés chimiques d'un élément dépendant de la dernière couche d'électrons (la plus externe).
Les atomes de la colonne de gauche (Métaux alcalins) ont 1 seul électron sur leur couche externe. Ils ont tendance à perdre facilement cet électron.
Les atomes de la colonne de droite (Gaz nobles) ont leur couche externe pleine. Ils réagissent très difficilement.
Les atomes de l'avant-dernière colonne de droite (Halogènes) ont leur couche externe avec un électron absent. Ils réagissent violemment pour accaparer un électron qui remplisse leur couche externe.
L'Oxygène est 2 colonnes avant la droite : il lui manque 2 électrons pour compléter sa couche externe. L'Hydrogène est dans la première colonne : il a un seul électron sur sa couche externe. 2 atomes d'Hydrogène mettent leur électron en commun avec l'atome d'Oxygène. Ainsi la couche externe de l'Oxygène est complète et les atomes d'Hydrogène lui sont attachés par leur électron.
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Exemples de réactions

sels de cuisine :
Sodium (Na) + Chlore (Cl) -> NaCl
Potassium (K) + Chlore (Cl) -> KCl
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Combustion du Fer

Combustion froide : la rouille (Fe + O₂ -> FeO₂) Le Fer (Fe) brûle en présence de l'Oxygène (O) de l'air
Combustion chaude : La poudre de Fer chauffée au rouge, plongée dans de l'oxygène pur brûle (Fe + O₂ -> FeO₂)
D'où le danger d'inflammation des matériaux en poudre, car ils sont mélangés à l'Oxygène de l'air.

Combustions de métaux

Conservation des atomes : mêmes nombres de chaque atomes à gauche et à droite
2Cu + O₂ -> 2CuO
2Zn + O₂ -> 2ZnO
4Al + 3O₂ -> 2Al₂O₃

Acides et Bases

Un acide (acide chlorhydrique = HCl), dilué dans l'eau donne des ions : HCl -> H+ + Cl-
Une base (soude caustique = NaOH), diluée dans l'eau donne des ions : NaOH -> Na+ + OH-
Si l'on met dans de l'eau de l'acide chlorhydrique et de la soude caustique,
Ils vont réagir selon : HCl + NaOH -> H+ + Cl- + Na+ + OH- -> Na+ + Cl- + H₂O
Le nombre de H+ (et de OH-) diminue. Le pH mesure la quantité de H+, soit l'acidité de la solution.
0 < pH(acide) < 7
pH(eau neutre) = 7
7 < pH(base) < 14
en-deçà de 0 et au-delà 14, le pH n'a plus de sens.
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physique : forces

Dans le vide intersidéral, un objet animé d'une vitesse se déplace indéfiniment en ligne droite.
Pour changer sa trajectoire, il faut lui appliquer une force.
force de gravitation. Les planètes attirent les satellites. (Toute masse attire les autres masses)
cette force est très faible, c'est pourquoi seule la force de gravitation des planètes est sensible.
force musculaire : on déplace un objet en le poussant.
force motrice : moteur qui enroule sur une poulie une ficelle attachée à l'objet.
force de réaction : un objet posé sur une table est soumis à la gravitation terrestre, or, il ne tombe pas : c'est la force de réaction de la table qui le maintient à sa place.
Un objet qui n'est soumis à aucune force garde une vitesse constante.
Un objet au repos sur une table est soumis à plusieurs forces dont la somme est nulle car sa vitesse est toujours nulle et donc constante.
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Poids (force en Newtons : N)

Poids (N) = Masse (kg) x g (N/kg)
avec g = 9.81 N/kg à Paris.
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Le courant électrique :

C'est un déplacement de charges électriques.
Dans les fils de cuivre, ce sont les électrons (négatifs) qui se déplacent (ainsi que dans les autres métaux).
Dans l'eau salée (avec du NaCl par exemple), ce sont les ions Na+ et Cl- qui se déplacent.
Les ions Na+ (positifs) se déplacent dans le sens conventionel du courant.
Les ions Cl- et les électrons (négatifs) se déplacent dans le sens inverse au sens conventionel du courant.
l'eau étant conductrice de l'électricité, il ne faut pas manipuler une prise électrique avec les mains mouillées, au risque d'être électrocuté.
Le corps humain conduit le courant électrique, en particulier les ions présents dans les nerfs.
Un courant va bloquer le fonctionnement des nerfs et provoquer la mort par asphyxie.
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courant continu

Le courant (l'intensité I) parcourt le circuit depuis le pôle + de la pile jusqu'au pôle -.
Tension U (en Volts V)
Résistance R (en Ohm Ω)
Intensité I (en Ampères A)
U = R I
Puissance consommée P (en Watts W) :
P = U I
Energie E (en Joules J) consommée pendant la durée t (en secondes s) :
E = P t
Une résistance tranforme l'énergie électrique E en chaleur (radiateur électrique)
Un moteur électrique transforme l'énergie électrique E en travail (remontée d'un store)
mais de l'énergie est perdue sous forme de chaleur et dans les frottements.
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courant alternatif

Le courant (l'intensité électrique) oscille entre la Phase et le Neutre.
Un disjoncteur détecte que l'intensité I est trop forte et coupe le circuit.
Ou bien la Phase et la Terre. (d'où le risque d'électrocution en touchant le seul fil de Phase)
Un disjoncteur différentiel détecte qu'une partie du courant passe par la Terre et coupe le circuit.
La tension efficace du secteur est 230 Volts (V), avec 50 oscillations par seconde : 50 Hertz (Hz)
La tension maximale U_max = U x racine(2)
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Index des mot-clés :

CHIMIE
objet  ->   matériaux 
 matériaux  ->  corps chimique 
  corps chimique -> élément, mélange, pur
   élément ->  atomes ,  tableau périodique 
    atome -> noyau
     noyau -> proton
     noyau -> neutron
     atome -> électron
      électron -> charge électrique
   mélange -> air, acier

ELECTRICITE
courant -> continu, alternatif, potentiel, intensité, énergie, porteurs
 continu -> 
 alternatif -> Umax, Ueff, fréquence
 potentiel -> U=RI
 intensité -> I=U/R, résistance
 puissance -> P=UI, énergie
  énergie -> Pt
 porteurs -> ions, électrons

MECANIQUE
force -> vecteur, travail, gravitation, électrique, réaction, frottement, masse
 masse -> accélération
  accélération -> vitesse
   vitesse -> position