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Exercices – Matière et matériaux

Chapitre 7 | Première STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Exercices progressifs corrigés. Données : \(M(\text{H})=1{,}0\) ; \(M(\text{C})=12{,}0\) ; \(M(\text{N})=14{,}0\) ; \(M(\text{O})=16{,}0\) ; \(M(\text{Cl})=35{,}5\ \text{g·mol}^{-1}\). Cherche chaque exercice avant de dérouler la correction.

Exercice 1 — Reconnaître les familles

Classer chaque matériau dans sa famille (métallique, organique, minéral, composite) : (a) cuivre ; (b) polyéthylène (sac plastique) ; (c) porcelaine ; (d) fibre de carbone/résine ; (e) laiton ; (f) papier.

(a) cuivre → métallique ; (b) polyéthylène → organique ; (c) porcelaine → minéral (céramique) ; (d) fibre de carbone/résine → composite ; (e) laiton (Cu + Zn) → métallique (alliage) ; (f) papier → organique (cellulose).

Exercice 2 — Identifier un matériau par des tests

On teste trois échantillons. Données de référence : aluminium \(\rho=2{,}7\) ; acier \(\rho=7{,}9\) ; PVC \(\rho=1{,}4\ \text{g·cm}^{-3}\).

ÉchantillonMasse (g)Volume (cm³)Aimant ?Rouille ?
A5420nonnon
B7910ouioui
C2820nonnon

Calculer la masse volumique de chaque échantillon et identifier le matériau.

A : \(\rho=\dfrac{54}{20}=2{,}7\ \text{g·cm}^{-3}\), non magnétique → aluminium.
B : \(\rho=\dfrac{79}{10}=7{,}9\ \text{g·cm}^{-3}\), magnétique et rouille → acier.
C : \(\rho=\dfrac{28}{20}=1{,}4\ \text{g·cm}^{-3}\) → PVC (matériau organique).

Exercice 3 — Choisir un matériau selon un cahier des charges

Pour chaque application, indiquer la propriété déterminante et proposer une famille (ou un matériau) adapté(e) :

  1. Le conducteur (âme) d'un câble électrique.
  2. La gaine isolante de ce câble.
  3. Le hublot transparent d'une machine.
  4. La carrosserie légère d'un vélo de course.

1. Propriété électrique : bon conducteur → métal (cuivre).
2. Propriété électrique : isolant + souple → organique (PVC).
3. Propriété optique : transparence → minéral (verre) ou organique (plexiglas).
4. Propriété mécanique : léger et résistant → composite (fibre de carbone).

Exercice 4 — Schémas de Lewis

Rappel : H forme 1 liaison, O 2 liaisons, C 4 liaisons, Cl 1 liaison.

(a) Établir le schéma de Lewis de l'eau \(\text{H}_2\text{O}\) et du chlorure d'hydrogène \(\text{HCl}\) (indiquer les doublets non liants).
(b) Pourquoi la liaison dans \(\text{O}_2\) est-elle une double liaison ?

(a) Eau : O au centre, 2 liaisons simples O–H (2 doublets liants), et 2 doublets non liants sur O (octet). HCl : 1 liaison simple H–Cl (1 doublet liant), et 3 doublets non liants sur Cl (octet).

(b) Chaque atome d'oxygène ne forme qu'avec l'autre : pour que chacun atteigne l'octet, ils partagent deux doublets → une double liaison \(\text{O}=\text{O}\). Chaque O garde alors 2 doublets non liants.

Exercice 5 — Formules et groupes caractéristiques

On considère l'acide éthanoïque de formule semi-développée \(\text{CH}_3\text{—COOH}\) (acide du vinaigre).

(a) Est-ce une molécule organique ? Justifier. (b) Identifier le groupe caractéristique et nommer la fonction. (c) Donner la formule brute. (d) L'amidon est une macromolécule : qu'est-ce que cela signifie ?

(a) Oui : elle est constituée d'atomes de carbone (et H, O) → molécule organique.

(b) Le groupe \(\text{—COOH}\) : fonction acide carboxylique.

(c) On compte : 2 C, 4 H (3 du \(\text{CH}_3\) + 1 du OH), 2 O → \(\text{C}_2\text{H}_4\text{O}_2\).

(d) Une macromolécule est une très grosse molécule formée par la répétition d'un même motif un grand nombre de fois (polymère).

Exercice 6 — Masses molaires

Calculer la masse molaire des molécules suivantes :

(a) dioxygène \(\text{O}_2\) ; (b) dioxyde de carbone \(\text{CO}_2\) ; (c) chlorure d'hydrogène \(\text{HCl}\) ; (d) glucose \(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6\).

(a) \(M(\text{O}_2)=2\times16{,}0=32{,}0\ \text{g·mol}^{-1}\).
(b) \(M(\text{CO}_2)=12{,}0+2\times16{,}0=44{,}0\ \text{g·mol}^{-1}\).
(c) \(M(\text{HCl})=1{,}0+35{,}5=36{,}5\ \text{g·mol}^{-1}\).
(d) \(M(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6)=6\times12{,}0+12\times1{,}0+6\times16{,}0=72{,}0+12{,}0+96{,}0=180{,}0\ \text{g·mol}^{-1}\).

Exercice 7 — Concentration et dissolution

On dissout \(m=9{,}0\ \text{g}\) de chlorure de sodium (\(M=58{,}5\ \text{g·mol}^{-1}\)) dans de l'eau pour obtenir \(V=0{,}50\ \text{L}\) de solution.

(a) Calculer la concentration en masse \(c_m\). (b) Calculer la quantité de matière \(n\) dissoute. (c) En déduire la concentration \(c\) en mol·L⁻¹.

(a) \(c_m=\dfrac{m}{V}=\dfrac{9{,}0}{0{,}50}=18\ \text{g·L}^{-1}\).

(b) \(n=\dfrac{m}{M}=\dfrac{9{,}0}{58{,}5}\approx0{,}15\ \text{mol}\).

(c) \(c=\dfrac{n}{V}=\dfrac{0{,}15}{0{,}50}=0{,}31\ \text{mol·L}^{-1}\). (Vérification : \(c=\dfrac{c_m}{M}=\dfrac{18}{58{,}5}\approx0{,}31\ \text{mol·L}^{-1}\).)

Exercice 8 — Dilution

Au laboratoire, on dispose d'une solution mère d'acide chlorhydrique à \(c_1=1{,}0\ \text{mol·L}^{-1}\). On souhaite préparer \(V_2=200\ \text{mL}\) d'une solution fille à \(c_2=0{,}20\ \text{mol·L}^{-1}\).

(a) Quel volume \(V_1\) de solution mère faut-il prélever ? (b) Décrire brièvement le protocole (verrerie, étapes). (c) Quel pictogramme CLP figure sur le flacon d'acide et quelle précaution impose-t-il ?

(a) \(V_1=\dfrac{c_2\,V_2}{c_1}=\dfrac{0{,}20\times200}{1{,}0}=40\ \text{mL}\).

(b) Prélever \(40\ \text{mL}\) de solution mère à la pipette jaugée, verser dans une fiole jaugée de \(200\ \text{mL}\), compléter avec de l'eau jusqu'au trait de jauge, boucher et homogénéiser.

(c) Pictogramme corrosif : l'acide attaque la peau → porter gants, lunettes, blouse et verser l'acide dans l'eau (jamais l'inverse).

Problème type — choix et préparation en bureau d'études

Un atelier fabrique des supports de capteur exposés à l'extérieur. Le cahier des charges impose : matériau léger (\(\rho\lt 3\ \text{g·cm}^{-3}\)), isolant électrique, résistant à la corrosion et recyclable. Pour protéger les supports métalliques de rechange, on prépare aussi une solution de traitement.

Partie A — choix du matériau. On hésite entre : acier (\(\rho=7{,}9\), conducteur, rouille), aluminium (\(\rho=2{,}7\), conducteur, résiste, recyclable), PVC (\(\rho=1{,}4\), isolant, résiste, recyclable), verre (\(\rho=2{,}5\), isolant, cassant).

(a) Éliminer les matériaux ne respectant pas le cahier des charges, en justifiant. (b) Quel matériau retenir ?

Partie B — préparation d'une solution. Pour un bain de traitement, on doit préparer \(V=2{,}0\ \text{L}\) d'une solution à \(c_m=15\ \text{g·L}^{-1}\) d'un soluté de masse molaire \(M=100{,}0\ \text{g·mol}^{-1}\).

(c) Quelle masse \(m\) de soluté faut-il peser ? (d) Calculer la concentration \(c\) en mol·L⁻¹. (e) Ce même bain doit ensuite être dilué : à partir de cette solution, quel volume \(V_1\) prélever pour obtenir \(V_2=0{,}50\ \text{L}\) à \(c_2=0{,}030\ \text{mol·L}^{-1}\) ?

(a) Acier : \(\rho=7{,}9\gt 3\) (trop lourd), conducteur et rouille → éliminé. Aluminium : conducteur électrique → éliminé (le cahier des charges exige un isolant). Verre : cassant, peu adapté à un support exposé aux chocs → écarté (fragilité mécanique).

(b) On retient le PVC : léger (\(1{,}4\lt 3\)), isolant, résistant à la corrosion et recyclable — il respecte tout le cahier des charges.

(c) \(m=c_m\times V=15\times2{,}0=30\ \text{g}\).

(d) \(c=\dfrac{c_m}{M}=\dfrac{15}{100{,}0}=0{,}15\ \text{mol·L}^{-1}\).

(e) \(V_1=\dfrac{c_2\,V_2}{c}=\dfrac{0{,}030\times0{,}50}{0{,}15}=\dfrac{0{,}015}{0{,}15}=0{,}10\ \text{L}=100\ \text{mL}\).