Chapitre 7 – Matière et matériaux
Chapitre 7 | Première STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
⏱ Durée de lecture estimée : ~22 min
Objectifs du chapitre :
- Citer les quatre grandes familles de matériaux (métalliques, organiques, minéraux, composites) et des exemples usuels.
- Conduire des tests simples pour distinguer et identifier des matériaux (densité, aspect, combustion, corrosion).
- Choisir un matériau selon un cahier des charges à partir de ses propriétés électriques, thermiques, mécaniques, optiques, magnétiques et chimiques.
- Décrire le cycle de vie d'un matériau (production, utilisation, recyclage).
- Établir le schéma de Lewis de molécules usuelles : eau, dioxygène, dioxyde de carbone, chlorure d'hydrogène.
- Reconnaître une molécule et une macromolécule organique ; passer d'une formule développée à semi-développée puis brute ; repérer les groupes alcool et acide carboxylique.
- Calculer une masse molaire atomique et moléculaire.
- Déterminer et préparer la concentration d'un soluté (g·L⁻¹, mol·L⁻¹) par dissolution ou par dilution.
- Adapter son comportement en fonction des pictogrammes du règlement CLP.
Situation. Un bureau d'études doit concevoir le boîtier d'un capteur destiné à l'extérieur : il faut un matériau léger, isolant électrique, résistant aux chocs et à la corrosion, recyclable et peu coûteux. Faut-il un métal, un plastique, un verre, un composite ? Pour répondre, il faut connaître les familles de matériaux, leurs propriétés, savoir les identifier et comprendre comment la matière est organisée à l'échelle des molécules. Ce chapitre relie le choix technologique d'un matériau à la structure microscopique de la matière.
1. Les familles de matériaux
Définition — matériau
Un matériau est une matière que l'on met en œuvre pour fabriquer un objet ou une pièce technique. On classe les matériaux usuels en quatre grandes familles selon leur composition et leur organisation.
Les quatre familles
| Famille | Exemples usuels | Caractère général |
|---|---|---|
| Métalliques (métaux et alliages) | fer, aluminium, cuivre ; acier, laiton, bronze | bons conducteurs (électriques et thermiques), brillants, ductiles |
| Organiques | plastiques (PET, PVC, PE), bois, papier, caoutchouc | à base de carbone, légers, souvent isolants |
| Minéraux (céramiques, verres) | verre, béton, porcelaine, brique | durs, cassants (fragiles), isolants, résistants à la chaleur |
| Composites | fibre de verre/résine, fibre de carbone, béton armé | association de deux matériaux → propriétés améliorées |
Définition — matériau composite
Un composite associe au moins deux matériaux non miscibles : un renfort (fibres résistantes : verre, carbone, acier) noyé dans une matrice (résine, béton) qui le maintient. L'ensemble est plus performant que chacun des constituants pris séparément : par exemple le béton armé (béton + acier) résiste à la fois à la compression et à la traction.
Mini-exercice 1. Indiquer la famille de chacun de ces matériaux : (a) le laiton (alliage cuivre-zinc) ; (b) une bouteille en PET ; (c) une vitre en verre ; (d) une raquette de tennis en fibre de carbone.
(a) laiton → métallique (alliage) ; (b) PET → organique (plastique) ; (c) verre → minéral ; (d) fibre de carbone → composite.
2. Identifier un matériau : les tests
Méthode — distinguer et identifier des matériaux
À partir d'une banque de données (densités, aspects, comportements), on conduit des tests simples :
- Densité : on mesure la masse et le volume, on calcule la masse volumique \(\rho=\dfrac{m}{V}\), puis on compare aux valeurs de référence (aluminium \(2{,}7\), acier \(7{,}9\), PVC \(1{,}4\ \text{g·cm}^{-3}\)…). Un test simple : le matériau flotte-t-il sur l'eau (\(\rho\lt 1\)) ?
- Aspect : couleur, brillance (les métaux sont brillants), transparence, toucher.
- Combustion : les matériaux organiques brûlent (odeur, fumée, résidu) ; les métaux et minéraux ne brûlent pas dans les conditions courantes.
- Corrosion : exposé à l'humidité, l'acier rouille ; l'aluminium et l'inox résistent ; les plastiques ne se corrodent pas.
- Magnétisme : un aimant attire le fer et l'acier ordinaire, mais pas l'aluminium, le cuivre ni l'inox austénitique.
Exemple travaillé — reconnaître un métal. Un échantillon a une masse \(m=54\ \text{g}\) et un volume \(V=20\ \text{cm}^3\). Sa masse volumique vaut \(\rho=\dfrac{m}{V}=\dfrac{54}{20}=2{,}7\ \text{g·cm}^{-3}\). Il est brillant, non magnétique, ne rouille pas : c'est de l'aluminium (\(\rho_{réf}=2{,}70\ \text{g·cm}^{-3}\)).
Mini-exercice 2. Un objet de masse \(m=79\ \text{g}\) occupe un volume \(V=10\ \text{cm}^3\). Il est attiré par un aimant et rouille à l'humidité. Calculer sa masse volumique et proposer le matériau.
\(\rho=\dfrac{79}{10}=7{,}9\ \text{g·cm}^{-3}\). Magnétique et rouille → c'est de l'acier (\(\rho_{réf}\approx7{,}9\ \text{g·cm}^{-3}\)).
3. Propriétés et choix selon un cahier des charges
Définition — propriétés d'un matériau
On choisit un matériau selon les propriétés exigées par le cahier des charges :
| Propriété | Ce qu'elle décrit | Grandeur / test |
|---|---|---|
| Électrique | conduit ou isole le courant | résistivité \(\rho_e\) (Ω·m) |
| Thermique | conduit ou isole la chaleur | conductivité \(\lambda\), résistance thermique |
| Mécanique | résiste aux efforts (traction, chocs, usure) | résistance, dureté, élasticité |
| Optique | transparence, réflexion, couleur | indice de réfraction |
| Magnétique | est attiré ou non par un aimant | ferromagnétique ou non |
| Chimique | résiste à la corrosion, aux produits | tenue à la corrosion |
Conducteur ou isolant ?
Les métaux sont de bons conducteurs électriques et thermiques. Les organiques et les minéraux (verre, céramique) sont généralement de bons isolants. Un fil électrique associe les deux : âme en cuivre (conducteur) + gaine en PVC (isolant).
Exemple travaillé — choisir un matériau. Cahier des charges d'une gaine de câble : isolant électrique, souple, résistant à l'eau, léger, bon marché. On écarte les métaux (conducteurs) et le verre (cassant). On retient un matériau organique : le PVC, isolant, souple et peu coûteux.
Définition — cycle de vie d'un matériau
Le cycle de vie décrit toutes les étapes d'un matériau : extraction de la matière première → production (transformation, fabrication) → utilisation → fin de vie (déchet, recyclage ou valorisation). Un matériau recyclable (aluminium, acier, verre, certains plastiques) réduit la consommation de ressources et l'impact environnemental.
Mini-exercice 3. Un fabricant doit choisir le matériau d'une poêle de cuisson : il faut un bon conducteur thermique, résistant à la chaleur et à la corrosion. Métal, plastique ou verre ? Proposer un matériau.
Il faut conduire la chaleur → un métal (le plastique fond, le verre conduit mal). On choisit l'aluminium ou l'acier inoxydable (bons conducteurs thermiques, résistants à la corrosion).
4. Organisation de la matière : les schémas de Lewis
Définition — liaison covalente et règle de l'octet
Dans une molécule, les atomes sont liés par des liaisons covalentes : chaque liaison est un doublet d'électrons partagé entre deux atomes. Les atomes se lient de façon à s'entourer de huit électrons sur leur couche externe (règle de l'octet) — sauf l'hydrogène qui se contente de deux (règle du duet). Le nombre de liaisons formées est : H → 1, O → 2, N → 3, C → 4, Cl → 1.
Définition — schéma de Lewis
Le schéma de Lewis d'une molécule représente tous les doublets : les doublets liants (un trait entre deux atomes) et les doublets non liants (traits autour d'un atome, électrons non partagés).
Exemple — établir le schéma de Lewis de l'eau \(\text{H}_2\text{O}\). L'oxygène forme 2 liaisons, chaque hydrogène 1 liaison. On place O au centre, relié à 2 H par 2 doublets liants (2 traits). Il reste à O 2 doublets non liants pour compléter son octet. La molécule est coudée.
Les quatre molécules du programme
- Eau \(\text{H}_2\text{O}\) : O central, 2 liaisons simples O–H, 2 doublets non liants sur O.
- Dioxygène \(\text{O}_2\) : double liaison O=O, 2 doublets non liants sur chaque O.
- Dioxyde de carbone \(\text{CO}_2\) : 2 doubles liaisons O=C=O, molécule linéaire, 2 doublets non liants sur chaque O.
- Chlorure d'hydrogène \(\text{HCl}\) : liaison simple H–Cl, 3 doublets non liants sur Cl.
Mini-exercice 4. Dans la molécule de dioxyde de carbone \(\text{CO}_2\), combien de doublets liants relient le carbone à chaque oxygène ? Combien de doublets non liants porte chaque oxygène ?
Chaque liaison C=O est une double liaison : 2 doublets liants de chaque côté (le carbone forme bien 4 liaisons au total). Chaque oxygène porte 2 doublets non liants, ce qui lui donne l'octet.
5. Molécules et macromolécules organiques
Définition — molécule organique, formules
Une molécule organique est une molécule à base d'atomes de carbone (associés à H, O, N…). On la décrit par trois formules :
- Formule développée : toutes les liaisons sont représentées.
- Formule semi-développée : on n'écrit pas les liaisons C–H (plus compacte).
- Formule brute : on compte seulement les atomes de chaque élément, ex. \(\text{C}_2\text{H}_6\text{O}\).
Définition — macromolécule et polymère
Une macromolécule est une très grosse molécule formée par la répétition d'un motif (le monomère) un grand nombre de fois : c'est un polymère. Les plastiques (polyéthylène, PVC), l'amidon, la cellulose (bois, papier) et le caoutchouc sont des macromolécules organiques.
Définition — groupes caractéristiques : alcool et acide carboxylique
Certains groupes d'atomes donnent leurs propriétés à une molécule :
- Le groupe alcool (hydroxyle) : \(\text{—OH}\) porté par un carbone. Exemple : l'éthanol \(\text{CH}_3\text{—CH}_2\text{—OH}\).
- Le groupe acide carboxylique : \(\text{—COOH}\). Exemple : l'acide éthanoïque (acide acétique) \(\text{CH}_3\text{—COOH}\), présent dans le vinaigre.
Mini-exercice 5. Dans la formule semi-développée \(\text{CH}_3\text{—CH}_2\text{—OH}\), (a) identifier le groupe caractéristique et nommer la fonction ; (b) donner la formule brute de la molécule.
(a) Le groupe \(\text{—OH}\) : c'est la fonction alcool (molécule = éthanol). (b) On compte : 2 C, 6 H (3 + 2 + 1), 1 O → formule brute \(\text{C}_2\text{H}_6\text{O}\).
6. Masses molaires
Définition — masse molaire
La masse molaire atomique \(M\) d'un élément est la masse d'une mole de ses atomes, en g·mol⁻¹ (donnée dans le tableau périodique). La masse molaire moléculaire d'une molécule est la somme des masses molaires atomiques de tous ses atomes.
\(M(\text{molécule})=\sum M(\text{atomes})\)
Données usuelles : \(M(\text{H})=1{,}0\) ; \(M(\text{C})=12{,}0\) ; \(M(\text{N})=14{,}0\) ; \(M(\text{O})=16{,}0\) ; \(M(\text{Cl})=35{,}5\ \text{g·mol}^{-1}\).
Exemple travaillé — masse molaire de l'eau et du CO₂.
\(M(\text{H}_2\text{O})=2\times M(\text{H})+M(\text{O})=2\times1{,}0+16{,}0=18{,}0\ \text{g·mol}^{-1}\).
\(M(\text{CO}_2)=M(\text{C})+2\times M(\text{O})=12{,}0+2\times16{,}0=44{,}0\ \text{g·mol}^{-1}\).
\(M(\text{H}_2\text{O})=2\times M(\text{H})+M(\text{O})=2\times1{,}0+16{,}0=18{,}0\ \text{g·mol}^{-1}\).
\(M(\text{CO}_2)=M(\text{C})+2\times M(\text{O})=12{,}0+2\times16{,}0=44{,}0\ \text{g·mol}^{-1}\).
Mini-exercice 6. Calculer la masse molaire de l'éthanol \(\text{C}_2\text{H}_6\text{O}\). (Données : \(M(\text{C})=12{,}0\) ; \(M(\text{H})=1{,}0\) ; \(M(\text{O})=16{,}0\ \text{g·mol}^{-1}\).)
\(M=2\times12{,}0+6\times1{,}0+16{,}0=24{,}0+6{,}0+16{,}0=46{,}0\ \text{g·mol}^{-1}\).
7. Concentration d'un soluté
Définition — concentrations
Une solution est obtenue en dissolvant un soluté dans un solvant (souvent l'eau). On décrit sa composition par la concentration :
- Concentration en masse \(c_m=\dfrac{m}{V}\) en g·L⁻¹ (\(m\) : masse de soluté, \(V\) : volume de solution).
- Concentration en quantité de matière \(c=\dfrac{n}{V}\) en mol·L⁻¹ (\(n\) : quantité de soluté).
\(c_m=\dfrac{m}{V}\qquad c=\dfrac{n}{V}\qquad n=\dfrac{m}{M}\)
Exemple travaillé — préparer une solution par dissolution. On dissout \(m=6{,}0\ \text{g}\) de sel dans de l'eau pour obtenir \(V=0{,}50\ \text{L}\) de solution.
Concentration en masse : \(c_m=\dfrac{m}{V}=\dfrac{6{,}0}{0{,}50}=12\ \text{g·L}^{-1}\).
Concentration en masse : \(c_m=\dfrac{m}{V}=\dfrac{6{,}0}{0{,}50}=12\ \text{g·L}^{-1}\).
Méthode — préparer une solution par dissolution
- Calculer la masse à peser : \(m=c_m\times V\) (ou \(m=c\times M\times V\)).
- Peser cette masse de soluté sur une balance.
- La verser dans une fiole jaugée de volume \(V\), dissoudre dans un peu d'eau.
- Compléter avec de l'eau jusqu'au trait de jauge, boucher et homogénéiser.
Définition — dilution
Diluer, c'est ajouter du solvant à une solution (dite mère) pour obtenir une solution moins concentrée (fille). La quantité de soluté ne change pas, donc :
\(c_1\,V_1=c_2\,V_2\)
\(c_1, V_1\) : concentration et volume prélevés de la solution mère ; \(c_2, V_2\) : concentration et volume de la solution fille. On prélève \(V_1=\dfrac{c_2\,V_2}{c_1}\) à la pipette jaugée, puis on complète à \(V_2\) dans une fiole jaugée.
Exemple travaillé — dilution. On veut préparer \(V_2=100\ \text{mL}\) d'une solution à \(c_2=0{,}10\ \text{mol·L}^{-1}\) à partir d'une solution mère à \(c_1=0{,}50\ \text{mol·L}^{-1}\). Volume à prélever :
\(V_1=\dfrac{c_2\,V_2}{c_1}=\dfrac{0{,}10\times100}{0{,}50}=20\ \text{mL}\)
On prélève \(20\ \text{mL}\) de solution mère à la pipette, on verse dans une fiole de \(100\ \text{mL}\), on complète à l'eau jusqu'au trait.
Mini-exercice 7. On dispose d'une solution mère de concentration \(c_1=2{,}0\ \text{mol·L}^{-1}\). Quel volume \(V_1\) faut-il prélever pour préparer \(V_2=250\ \text{mL}\) d'une solution fille à \(c_2=0{,}40\ \text{mol·L}^{-1}\) ?
\(V_1=\dfrac{c_2\,V_2}{c_1}=\dfrac{0{,}40\times250}{2{,}0}=\dfrac{100}{2{,}0}=50\ \text{mL}\).
8. Sécurité : les pictogrammes CLP
Définition — règlement CLP
Le règlement européen CLP (Classification, Labelling, Packaging) impose sur les produits chimiques des pictogrammes normalisés : un losange rouge sur fond blanc avec un symbole noir. Ils préviennent des dangers et imposent d'adapter son comportement (gants, lunettes, hotte, éloignement des flammes…).
Quelques pictogrammes courants
| Pictogramme | Danger | Précaution |
|---|---|---|
| Flamme | inflammable | éloigner de toute flamme / source de chaleur |
| Corrosif (mains/matière rongées) | attaque la peau et les métaux | gants, lunettes, blouse |
| Tête de mort | toxique | ne pas inhaler ni ingérer, travailler sous hotte |
| Point d'exclamation | nocif / irritant | éviter le contact, se laver les mains |
| Arbre + poisson morts | dangereux pour l'environnement | ne pas rejeter à l'évier |
Mini-exercice 8. Sur un flacon d'éthanol figure le pictogramme « flamme ». (a) Quel danger indique-t-il ? (b) Quelle précaution prendre en TP ?
(a) Le produit est inflammable. (b) On l'éloigne de toute flamme et source de chaleur (bec bunsen, plaque chauffante) et on referme le flacon.
Erreurs fréquentes
- ❌ Confondre « matériau minéral » et « métallique » → ✅ le verre et la céramique sont minéraux (isolants, cassants), pas des métaux.
- ❌ Oublier les doublets non liants dans un schéma de Lewis → ✅ chaque atome (sauf H) doit avoir son octet, doublets liants + non liants.
- ❌ Écrire une seule liaison dans \(\text{O}_2\) ou \(\text{CO}_2\) → ✅ ce sont des doubles liaisons (O=O ; O=C=O).
- ❌ Confondre \(c_m\) (g·L⁻¹) et \(c\) (mol·L⁻¹) → ✅ elles sont reliées par \(c_m=c\times M\).
- ❌ Utiliser \(c_1V_1=c_2V_2\) pour une dissolution → ✅ cette relation ne vaut que pour une dilution (le soluté est conservé).
- ❌ Ignorer un pictogramme CLP → ✅ il impose une précaution concrète (gants, éloigner des flammes, hotte…).
À retenir
- 4 familles de matériaux : métalliques, organiques, minéraux, composites ; on les identifie par densité, aspect, combustion, corrosion, magnétisme.
- On choisit un matériau selon un cahier des charges (propriétés électriques, thermiques, mécaniques, optiques, magnétiques, chimiques) et son cycle de vie (recyclage).
- Schéma de Lewis (règle de l'octet) : eau (2 liaisons O–H), dioxygène (O=O), \(\text{CO}_2\) (O=C=O), HCl (H–Cl) — sans oublier les doublets non liants.
- Molécules organiques (formule développée → semi-développée → brute) et macromolécules (polymères) ; groupes alcool —OH et acide carboxylique —COOH.
- Masse molaire : \(M(\text{molécule})=\sum M(\text{atomes})\) en g·mol⁻¹.
- Concentrations : \(c_m=\dfrac{m}{V}\) (g·L⁻¹), \(c=\dfrac{n}{V}\) (mol·L⁻¹), \(c_m=c\times M\) ; dilution : \(c_1V_1=c_2V_2\).
- Pictogrammes CLP (losange rouge) → adapter son comportement de sécurité.