Auteur: Daniel GENELLE                              (Optimisé pour Mozilla Firefox.)  

I) La matière à l'échelle microscopique.
II) La matière à l’échelle macroscopique.
1) Les différences de masse de la matière.
a) La masse volumique :
b) La densité :
2) Pourquoi la taille de certains objets varie-t-elle ?
a) Dilatation linéaire :
b) Dilatation volumique :
c) Exercices :

La matière existe sous 3 états physiques, solide, liquide et gaz. Elle est composée comme nous le savons d’atomes, de molécules et d’ions.



Conseil: regarde la vidéo ci-dessous par Profponsonnet.
Vidéo : Interprétation d’un changement d’état d’un corps pur : ( 4 min 44 )

Rappels de 2nd: Les propriétés chimiques des atomes sont déterminées par leur configuration électronique, laquelle découle du nombre de protons de leur noyau. Ce nombre, appelé numéro atomique, définit un élément chimique.
Plusieurs atomes peuvent établir des liaisons chimiques entre eux grâce à leurs électrons. Ils peuvent, de façon générale, mettre chacun en commun un électron d'une de leurs couches externes afin de former un doublet d'électrons leur permettant de se lier entre eux. Cette liaison ainsi formée est une liaison dite covalente (il peut y avoir d’autres types de liaisons possibles). Les atomes liés entre eux forment alors des molécules.
Une autre façon pour les atomes de s’associer est de perdre ou de gagner un ou plusieurs électrons. Ils deviennent alors des ions qui lorsqu’ils ne sont pas en solution forment des solides par des liaisons électrostatiques.
Il existe plus d’une centaine d’éléments chimiques qui sont rangés dans un tableau : la classification périodique des éléments. Cette classification a pour particularité que tous les éléments d’une même colonne ont des propriétés chimiques semblables. Ces propriétés sont issues du fait que chaque élément d’une même colonne a le même nombre d’électrons sur leur dernière couche (on parle de même configuration électronique de valence).

Conseil: regarde la vidéo ci-dessous par Profponsonnet.
Vidéo : La classification périodique des éléments : ( 5 min 07 )

Les deux premières colonnes représentent les métaux alcalins pour la première (sauf l’hydrogène qui est une particularité) et les métaux alcalino-terreux pour la deuxième.



Conseil: regarde la vidéo ci-dessous par FuseSchool et Unisciel.
Vidéo : Réactions entre les métaux et l’eau : ( 4 min 36 )

Conseil: regarde la vidéo ci-dessous par Chimie Pagodes.
Vidéo : Les alcalins et l’eau : ( 1 min 53 )

L’avant dernière colonne représente les halogènes et la dernière les gaz rares ou gaz nobles dont la particularité est qu’ils sont inertes chimiquement car leur dernière couche électronique est saturée.

Qui ne s’est pas fait avoir par cette question : « Qui est le plus lourd entre 1 kg de plumes et 1 kg de plomb ? »

Prenons deux objets de même taille et de même apparence, l’un est en plastique et l’autre en métal. Mesurons à l’aide d’une balance leur masse.



On constate que les masses sont différentes, alors comment pourrait-on les distinguer si leur taille ou leur apparence était différente ?

On mesure ce que l’on appelle la masse volumique, c'est-à-dire la masse d’un objet divisé par son volume. Cette valeur appelée ρ (rhô en grec) qui est une des propriétés physique d’une espèce chimique permettra d’identifier les différents matériaux.

ρ =

m ━━━

V

La masse volumique peut avoir différentes unités qui sont les unités de masse divisées par les unités de volume. Les plus utilisées sont le g/mL, le g/cm³, le g/L, le kg/m³.
Concernant les liquides, on préférera g/mL et pour les solides g/cm³. En effet, il est plus facile de mesurer un volume de liquide en L ou en mL, alors que l’on calculera le volume d’un solide en m³, cm³ etc…
Les différents tableaux suivant indiquent des masses volumiques de liquides, solides et gaz.

La masse volumique des liquides:

Liquide à 20°C	Masse volumique (g/ml)
Mercure	13,60
Sirop de maïs	1,38
Glycérine	1,26
Eau de mer	1,03
Eau douce	1,00
Huile d'olive	0,92
Térébenthine	0,87
Essence	0,69

Exercice: On pèse un liquide inconnu grâce à la technique de différence de pesée. On obtient une masse de 25,2 g. Le volume qui correspond à la masse mesurée nous est fourni par une mesure directe à l’aide d’un cylindre gradué. La lecture effectuée en tenant compte du ménisque est 18 mL.
Quelle est la masse volumique de ce liquide ? Quel serait ce liquide ?             
Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...

ρ =

m ━━━

V

=

━━━

= g/mL.

Le liquide serait le mercure le sirop de maïsla glycérinel'eau de mer l'eau doucel'huile d'olivela térébentine l'essence.

La masse volumique des solides:

Solide à 20°C	Masse volumique (g/cm3)
Or	19,3
Uranium	18,7
Plomb	11,3
Argent	10,5
Cuivre	8,90
Fer	7,9
Acier	7,85
Zinc	7,1
Aluminium	2,7
Magnésium	1,7
Plastique	1,17
Glace	0,92
Paraffine	0,9
Liège	0,24

Exercice: Quelle est la masse d’un lingot d'or qui a un volume de 500 cm³ ?             
Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...

ρ =

m ━━━

V

      m = ρ / V ρ . VV / ρ = g.

La masse volumique des gaz:

Gaz (à 0°C et 1 013 hPa)	Masse volumique (g/cm3)
Dioxyde de carbone CO2	1,8.10-3
Oxygène O2	1,3.10-3
Air (mélange de gaz)	1,29.10-3
Azote N2	1,25.10-3
Hélium He	1,8.10-4
Hydrogène H2	8,4.10-5

Conseil: regarde la vidéo ci-dessous par m@th et tiques.
Vidéo : Comprendre la masse volumique : ( 10 min 00 )

La densité pour les liquides et les solides correspond généralement au rapport de la masse d’un objet de volume V sur le même volume V d’eau, c’est donc le rapport de la masse volumique de l’objet divisé par la masse volumique de l’eau. On prend en général l’eau, mais on peut calculer une densité par rapport à n’importe lequel des matériaux, c’est pourquoi on dit que la densité est une valeur relative. Etant donné que les masses volumiques de l’eau et de l’objet ont les mêmes unités, la densité n’aura pas d’unité.
Si on choisit une unité pour laquelle la masse volumique de l’eau est 1 (kg/L, g/mL, kg/dm³, g/cm³) alors la densité possède la même valeur que la masse volumique ce qui peut-être une source d’erreurs.

d =

ρobjet ━━━

ρeau

La densité de l’eau est 1, si un solide ou un liquide non miscible dans l’eau a une densité supérieure à 1, il coule dans l’eau et flottera sinon.

La densité pour les gaz se calcule de la même manière, la référence n’étant pas l’eau mais l’air. La densité de l’air est 1. Si un gaz a une densité d supérieure à 1, il « tombe » dans l’air, sinon il « remonte » dans l’air.

Conseil: regarde la vidéo ci-dessous par Profponsonnet.
Vidéo : Masse volumique et densité : ( 4 min 37 )

Conseil: regarde la vidéo ci-dessous de c'est pas sorcier.
Vidéo : Qu’est-ce que la densité de l’eau ? : ( 1 min 40 )

L'émetteur de Bouvigny-Boyeffles est un équipement de radiodiffusion constitué de matériel électronique et d'un mât d'une hauteur de 307 mètres se trouvant sur le territoire de la commune de Bouvigny-Boyeffles dans le département français du Pas-de-Calais, non loin de la limite avec Servins. C'est l'un des émetteurs les plus puissants de France en TV analogique, TNT et Radios FM de Radio France. L’émetteur héberge aussi les antennes mobiles de SFR en 2G et 3G, Bouygues Télécom en 2G, 3G et 4G, et Free Mobile en 3G et 4G. Le pylône actuel date de 1990. L'ancien pylône construit en novembre 1959 fut détruit après la fin de la construction du nouveau pylône en 1990 et la construction du nouveau pylône a commencé en 1989. Conseil: regarde la vidéo ci-dessous par FR3. Vidéo : Au sommet de l’émetteur de Bouvigny : ( 2 min 49 ) Sa taille peut varier d’une quinzaine de cm en plus l’été et en moins l’hiver. Quels sont les éléments qui permettent cette variation ? De même, il est intéressant de se poser la question : « Pourquoi le niveau des mers augmente-t-il ? » Conseil: regarde la vidéo ci-dessous par Futura-sciences . Vidéo : Pourquoi le niveau des mers monte-t-il ? : ( 4 min 57 ) Il y a deux causes à l'élévation du niveau des mers. Le réchauffement, dû à la quantité de gaz à effet de serre présente dans l'atmosphère, conduit à la fonte des glaciers et des calottes polaires. C'est l'effet le plus évident. Si l'ensemble du Groenland et de l'Antarctique devait fondre, la montée du niveau des océans serait de plusieurs dizaines de mètres. Ils ont bien commencé à fondre mais le phénomène est très lent. L'autre cause, et c'est la principale, est que la mer se réchauffe. Or, lorsque l'on chauffe de l'eau, elle augmente de volume. C'est l'effet stérique. Il peut paraître dérisoire, mais sur une masse très importante, comme celle des océans, le résultat est tangible.

Ces deux phénomènes sont liés, il s’agit de la dilatation thermique des solides et des liquides.

La dilation est liée au phénomène d’agitation thermique, au niveau microscopique, quand la température augmente, les atomes et les molécules qui composent les liquides et les solides s’agitent, s’écartent plus et occupent plus d’espace.





Conseil: regarde la vidéo ci-dessous par swisslearn.
Vidéo : La dilatation thermique : ( 14 min 10 )

La dilatation est donc l’augmentation du volume d’un corps quand sa température augmente. Si le corps est long, sa dilatation sera surtout visible dans le sens de la longueur, on a une dilatation linéaire.

Dans le cas d’une tige de longueur l₀ à la température initiale t_i, l’allongement ∆l à la température finale t_f se calcule :

l – l₀ = λ.l₀.(t_f – t_i)    ou    ∆l = λ.l₀.∆t
t_f et t_i en °C
∆l et l₀ en m
λ est le coefficient de dilatation linéaire qui s’exprime en °C^-1 et dépend du matériau.

Substance	Coefficient de dilatation linéaire λ en °C-1
Fer	1,23.10-5
Aluminium	2,33.10-5
Platine	0,90.10-5
Cuivre	1,67.10-5
Zinc	2,90.10-5
Laiton (65% cuivre, 35% zinc)	1,85.10-5
Acier Invar (36% nickel)	1,2.10-6
Verre ordinaire	7,0.10-6
Pyrex (verre dur)	3,0.10-6
Quartz	5,5.10-7

Conseil: regarde la vidéo ci-dessous par Unisciel.
Vidéo : Le fil qui s’allonge : ( 1 min 29 )

La dilation volumique touche aussi bien les solides que les liquides et les gaz (mais concernant les gaz, le facteur pression intervient en plus).



V – V₀ = α.V₀.(t_f – t_i)    ou    ∆V = α.V₀.∆t
t_f et t_i en °C
∆V et V₀ en m³
α est le coefficient de dilatation volumique qui s’exprime en °C^-1 et dépend du matériau. On peut admettre que α = 3λ (le coefficient de dilatation volumique est égal à 3 fois le coefficient de dilatation linéaire).

Si la dilatation thermique est de petite amplitude, elle développe toutefois une très grande force, qu’il est donc nécessaire de prendre en compte dans les constructions, par exemple :

• les rails de chemin de fer ne sont pas soudés les uns contre les autres ou alors ils sont taillés à leurs extrémités en biais.
  
  
  
• les deux extrémités d'un pont ne sont pas scellées dans la maçonnerie mais reposent sur des galets de roulement.
  
  
  
• entre les bâtiments existent des joints de dilatation.
  
  
  

Exercice 1: Quelle est la variation de longueur d’une tige d’aluminium de 80 centimètres de long si l’on augmente sa température de 20°C ? (Donner le résultat en mm sans arrondir, écrire les valeurs dans l'ordre de la formule, respecter les puissances de 10.)
             
Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...

80 cm = m.

∆l = λ.l₀.∆t ∆V = α.V₀.∆t∆t = ∆l / λ.l₀ λ = ∆l / l₀.∆t = .10 x x = .10 m = mm.

La variation de la tige d'aluminium sera de mm.

Exercice 2: De combien faut-il chauffer une tige de fer de 30 centimètres pour qu’elle s’allonge de 0,1 mm ? (arrondir à l’unité) (Ecrire les valeurs dans l'ordre de la formule, respecter les puissances de 10.)
             
Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...

30 cm = m        0,1 mm = .10 m.

∆l = λ.l₀.∆t <=> ∆l = λ.l₀.∆t ∆V = α.V₀.∆t∆t = ∆l / λ.l₀ λ = ∆l / l₀.∆t =

.10 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━

.10 x

= °C.

Il faut augmenter la température de la tige de fer de °C.

Exercice 3: Une tige de 40 cm s’allonge de 0,0179 mm quand la température augmente de 15°C. Quel est son coefficient de dilatation thermique ? (Donner le résultat sous forme d’une puissance de 10 avec deux décimales). Quel est ce matériau ? (Ecrire les valeurs dans l'ordre de la formule, respecter les puissances de 10.)
             
Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...

40 cm = m        0,0179 mm = .10 m.

∆l = λ.l₀.∆t <=> ∆l = λ.l₀.∆t ∆V = α.V₀.∆t∆t = ∆l / λ.l₀ λ = ∆l / l₀.∆t =

.10 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━

x

= .10 °C.

Le matériaux est le fer l'aluminiumle platinele cuivre le zincle laitonl'ivar le verre ordinairele pyrex le quarts.

Exercice 4: L’émetteur de Bouvigny-Boyeffles mesure 307 m à 0 °C. Quel sera sa hauteur à une température de 40°C si l’on considère qu’il est en fer ? (Arrondir au centième) (Ecrire les valeurs dans l'ordre de la formule, respecter les puissances de 10.)
             
Les erreurs sont mises en évidence par la couleur rouge donnée à celles-ci...

∆l = λ.l₀.∆t ∆V = α.V₀.∆t∆t = ∆l / λ.l₀ λ = ∆l / l₀.∆t = .10 x x = m.

L’émetteur mesurera alors m.