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Chapitre 7 — Structure de la matière

2de Bac Pro  |  Physique-Chimie  |  Chimie

Dernière mise à jour : 31 juillet 2026, 15:20

Objectifs du chapitre

Situation professionnelle — Identification des matériaux en atelier

Un plombier chauffagiste reçoit plusieurs pièces métalliques et doit vérifier leur composition (aluminium, acier, cuivre) en lisant les fiches techniques qui indiquent les formules et symboles chimiques des matériaux. Comprendre la structure de la matière lui permet de choisir les bons raccords, brasures et traitements anticorrosion adaptés.

1. L’atome

Définition
Un atome est la plus petite entité chimique d’un élément chimique. Il est électriquement neutre.

Structure de l’atome

Un atome est constitué de deux parties :

Neutralité de l’atome
Dans un atome neutre : nombre de protons = nombre d’électrons.
Les charges positives (protons) et négatives (électrons) se compensent exactement.

Les nombres caractéristiques

Symbole Nom Définition Exemple (carbone C)
\(Z\) Numéro atomique Nombre de protons dans le noyau \(Z = 6\) (6 protons)
\(A\) Nombre de masse Nombre de protons + nombre de neutrons \(A = 12\) (6 protons + 6 neutrons)
\(N\) Nombre de neutrons \(N = A - Z\) \(N = 12 - 6 = 6\)
\(A = Z + N\) \(A\) : nombre de masse  —  \(Z\) : numéro atomique (protons)  —  \(N\) : nombre de neutrons

La notation symbolique d’un atome est : \({}^{A}_{Z}\text{X}\) où X est le symbole de l’élément.

Schéma simplifié d’un atome

Schéma simplifié d’un atome de carbone (modèle planétaire simplifié) 6 p⁺ 6 n⁰ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ Carbone C : Z=6, A=12 — 6 protons, 6 neutrons, 6 électrons Noyau Electron

Modèle planétaire simplifié d’un atome de carbone (C) : noyau central avec 6 protons et 6 neutrons, entouré de 6 électrons.

Modèle de Bohr — Couches électroniques (atome de carbone C)

Modèle de Bohr — Carbone C : 6p+, 6n, couche K 2e−, couche L 4e− 6p⁺ 6n⁰ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ Noyau Couche K (2e⁻) Couche L (4e⁻) Carbone C Z=6  |  A=12 Noyau (rouge) e⁻ K (bleu clair) e⁻ L (bleu fonce) K(2) L(4)

Modèle de Bohr : les électrons se répartissent sur des couches. Couche K : 2 e⁻ max. Couche L : 8 e⁻ max. Le carbone a la configuration K(2) L(4).

Modèle général d’un atome — couches électroniques

Modèle de l’atome avec couches électroniques K, L, M Couche M Couche L Couche K Z p⁺ N n⁰ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ Légende Noyau (p⁺ + n⁰) e⁻ couche K (max 2) e⁻ couche L (max 8) e⁻ couche M (max 18) Couches électroniques : règle de remplissage K(2) → L(8) → M(18)

Les électrons se répartissent sur des couches électroniques successives autour du noyau. La couche K (la plus proche) se remplit en premier (max 2 e⁻), puis L (max 8 e⁻), puis M.

Application

Le fer a pour symbole Fe, numéro atomique \(Z = 26\) et nombre de masse \(A = 56\).
L'aluminium a pour symbole Al, \(Z = 13\) et \(A = 27\).

  1. Donner la notation symbolique \({}^{A}_{Z}\text{X}\) pour le fer et pour l'aluminium.
  2. Combien de neutrons possède un atome de fer ? Un atome d'aluminium ?
1. Fer : \({}^{56}_{26}\text{Fe}\)  |  Aluminium : \({}^{27}_{13}\text{Al}\)

2. Neutrons du fer : \(N = A - Z = 56 - 26 = \mathbf{30}\) neutrons.
Neutrons de l'aluminium : \(N = 27 - 13 = \mathbf{14}\) neutrons.

Modèle atomique interactif

Observe les électrons orbiter autour du noyau. Clique sur Changer d’atome pour passer d’un élément à l’autre (H → He → Li → C → H).

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2. Les éléments chimiques

Définition
Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique \(Z\) (nombre de protons). Tous les atomes ayant le même \(Z\) appartiennent au même élément, même s’ils ont des nombres de neutrons différents (isotopes).

Symboles des principaux éléments à connaître

Symbole Nom de l’élément \(Z\) Présent dans / utilité
HHydrogène1Eau, matière organique
CCarbone6Bois, matières plastiques, CO2
NAzote7Air (78 %), produits de traitement
OOxygène8Eau, air, oxydes
NaSodium11Sel (NaCl), lessive
ClChlore17Sel, produits désinfectants
CaCalcium20Plaques de plâtre (CaSO4), murs
FeFer26Acier, clous, vis, quincaillerie
CuCuivre29Câbles électriques, tuyaux
Tableau périodique
Les éléments chimiques sont classés dans le tableau périodique de Mendeleïev par numéro atomique Z croissant. Les éléments d’une même colonne ont des propriétés chimiques similaires.

Tableau périodique simplifié — Périodes 1, 2 et 3

Tableau périodique simplifié — périodes 1 à 3 (18 premiers éléments) Métal Non-métal Gaz noble 1 H Hydrogène 2 He Hélium 3 Li Lithium 4 Be Béryllium 5 B Bore 6 C Carbone 7 N Azote 8 O Oxygène 9 F Fluor 10 Ne Néon 11 Na Sodium 12 Mg Magnésium 13 Al Aluminium 14 Si Silicium 15 P Phosphore 16 S Soufre 17 Cl Chlore 18 Ar Argon Période 1 Période 2 Période 3 ← groupes 3 à 12 : aucun élément → ← groupes 3 à 12 : aucun élément →

Tableau périodique simplifié : périodes 1–3. Métal Non-métal Gaz noble

Application

Le tableau ci-dessous rappelle les masses atomiques de quelques éléments :

ÉlémentHCOAlFeCuZn
Masse atomique (u.m.a.)11216275663,565
  1. Calculer la masse moléculaire de l'eau H2O. (On rappelle : masse moléculaire = somme des masses atomiques des atomes de la molécule.)
  2. Calculer la masse moléculaire du CO2.
  3. La masse volumique de l’aluminium est d’environ 2,7 g/cm³, celle de l’acier d’environ 7,8 g/cm³. Pour des huisseries de même volume, quel matériau réduit la masse ? Quel autre avantage présente-t-il ?
  4. Un électricien fixe ses chemins de câbles avec des vis en acier zingué (acier recouvert de zinc). Quel est le rôle du zinc ?
1. H2O : \(m_{\text{molécule}} = 2 \times 1 + 1 \times 16 = \mathbf{18\ \text{u}}\).

2. CO2 : \(m_{\text{molécule}} = 1 \times 12 + 2 \times 16 = \mathbf{44\ \text{u}}\).

3. À volume identique, on choisira l'aluminium : sa masse volumique (2,7 g/cm³) est environ trois fois plus faible que celle de l’acier (7,8 g/cm³). De plus, l'aluminium résiste à la corrosion grâce à sa couche d'alumine protectrice — un avantage important pour les fenêtres exposées aux intempéries.

4. Le zinc protège l'acier contre la corrosion par deux mécanismes : il forme une barrière physique contre l'humidité et agit en anode sacrificielle (le zinc se corrode en priorité à la place du fer).

Masses atomiques des éléments courants

La masse atomique (en u, unité de masse atomique) représente la masse d’un atome à l’échelle microscopique. Elle ne suffit pas à prévoir la masse volumique d’un matériau, qui dépend aussi de sa composition et de l’organisation de ses constituants.

Masses atomiques des éléments fréquents dans les métiers du bâtiment et de l’industrie (en u.m.a.)

Source : tableau périodique — H=1, C=12, N=14, O=16, Al=27, Si=28, Fe=56, Cu=63,5, Zn=65

Abondance des éléments dans la croûte terrestre

La croûte terrestre est la couche superficielle solide de la Terre. Ses éléments les plus abondants sont ceux que l’on retrouve dans les matériaux de construction (silicates, métaux, bois…).

Source : données géochimiques standard — pourcentages massiques dans la croûte terrestre

3. Les ions

Définition
Un ion est un atome (ou un groupe d’atomes) qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Il porte donc une charge électrique non nulle.
Deux types d’ions
• Cation : ion de charge positive — l’atome a perdu des électrons (il y a plus de protons que d’électrons).
• Anion : ion de charge négative — l’atome a gagné des électrons (il y a plus d’électrons que de protons).
Méthode — Lire la charge d’un ion
• Na+ : sodium, charge +1 (a perdu 1 électron) → cation
• Ca2+ : calcium, charge +2 (a perdu 2 électrons) → cation
• Fe3+ : fer, charge +3 (a perdu 3 électrons) → cation
• Cl− : chlorure, charge −1 (a gagné 1 électron) → anion
• O2− : oxyde, charge −2 (a gagné 2 électrons) → anion

Tableau des ions courants

Formule Nom Charge Type Exemple d’utilisation
Na+Ion sodium+1CationSel de cuisine (NaCl)
Ca2+Ion calcium+2CationEau calcaire, plâtre
Fe2+Ion fer(II)+2CationRouille
Fe3+Ion fer(III)+3CationTraitement des eaux, boues de corrosion
Cu2+Ion cuivre(II)+2CationSolutions de traitement, vert-de-gris
Cl−Ion chlorure−1AnionSel de cuisine, eau de Javel
O2−Ion oxyde−2AnionOxydes métalliques
OH−Ion hydroxyde−1AnionSolutions basiques, décapants
SO42−Ion sulfate−2AnionPlâtre (CaSO4)
NO3−Ion nitrate−1AnionEngrais, certains vernis
Attention
Un ion n’est pas un atome : il a perdu ou gagné des électrons. Il n’est pas électriquement neutre. Il ne faut pas confondre Fe (atome de fer, neutre) avec Fe2+ (ion fer, chargé positivement).
Application

L’analyse de l’eau d’un circuit de chauffage central révèle les espèces suivantes en solution :

Cu2+  |  SO42−  |  Fe3+  |  OH−  |  Na+

  1. Classer ces ions en cations et en anions.
  2. Pour chaque ion, indiquer le nombre d’électrons perdus ou gagnés par rapport à l’atome neutre.
  3. Le cuivre a pour numéro atomique Z = 29. Combien d’électrons possède un atome de cuivre neutre ? Combien en possède l’ion Cu2+ ?
1. Cations : Cu2+, Fe3+, Na+ (charges positives)
Anions : SO42−, OH− (charges négatives)

2.
  • Cu2+ : a perdu 2 électrons
  • Fe3+ : a perdu 3 électrons
  • Na+ : a perdu 1 électron
  • SO42− : a gagné 2 électrons (au total pour le groupe)
  • OH− : a gagné 1 électron
3. Atome de cuivre neutre : Z = 29 donc 29 électrons.
Ion Cu2+ : a perdu 2 électrons, donc \(29 - 2 = \mathbf{27 \text{ électrons}}\).

Identifier expérimentalement des ions en solution aqueuse

Les ions sont invisibles : une solution qui en contient reste transparente. Pour savoir lesquels sont présents, on réalise un test d’identification. Le principe est toujours le même : on ajoute quelques gouttes d’un réactif à un peu de solution ; si l’ion recherché est là, il se forme un précipité — un solide qui apparaît dans le liquide — d’une couleur caractéristique.

Définition
Un précipité est un solide qui se forme dans une solution au cours d’une transformation chimique. Il trouble le liquide, puis se dépose lentement au fond du tube.
Les tests à connaître
Ion recherchéRéactif à ajouterObservation si l’ion est présent
Ion cuivre(II) Cu2+Soude (hydroxyde de sodium)Précipité bleu
Ion fer(II) Fe2+Soude (hydroxyde de sodium)Précipité vert
Ion fer(III) Fe3+Soude (hydroxyde de sodium)Précipité rouille (orangé)
Ion chlorure Cl−Nitrate d’argentPrécipité blanc, qui noircit à la lumière
Si rien n’apparaît, le test est négatif : l’ion recherché est absent (ou trop peu concentré pour être détecté).
Méthode — Réaliser un test
  1. Mettre gants et lunettes : la soude et le nitrate d’argent sont corrosifs.
  2. Verser environ 2 mL de la solution à analyser dans un tube à essai propre.
  3. Ajouter quelques gouttes du réactif, pas davantage.
  4. Observer immédiatement, sur fond blanc, la formation et la couleur d’un éventuel précipité.
  5. Conclure, puis jeter le contenu dans le bidon de récupération prévu — jamais à l’évier.
Exemple — Une eau de rinçage peut-elle être rejetée ?

Après avoir traité des lambris dans un bac contenant des sels de cuivre, un menuisier rince le bac à l’eau claire. Avant de rejeter cette eau de rinçage, il vérifie qu’elle ne contient plus d’ions cuivre(II), qui sont toxiques pour les milieux aquatiques.

Il prélève 2 mL d’eau de rinçage dans un tube à essai et y ajoute quelques gouttes de soude. Un précipité bleu apparaît.

Conclusion : le test au Cu2+ est positif, l’eau de rinçage contient encore des ions cuivre(II). Elle ne doit pas partir à l’égout : elle rejoint le bidon de déchets chimiques, confié à un collecteur agréé.

Application — Fer(II) ou fer(III) ?

Un plombier chauffagiste purge un circuit de chauffage : l’eau qui sort est grisâtre. Un circuit fermé qui ne prend pas l’air garde son fer sous forme d’ions fer(II) Fe2+ ; dès que du dioxygène entre — mauvaise purge, joint qui fuit, appoints d’eau répétés — le fer(II) s’oxyde en fer(III) Fe3+. Le plombier verse un peu de cette eau dans un tube à essai et ajoute quelques gouttes de soude : un précipité vert se forme.

  1. Quel ion la soude a-t-elle mis en évidence ?
  2. Le circuit est-il resté correctement fermé, ou de l’air y entre-t-il ? Justifier.
  3. Sur le même échantillon, un test au nitrate d’argent ne donne aucun précipité. Que peut-on en conclure ?
  1. Un précipité vert avec la soude correspond à l’ion fer(II) Fe2+.
  2. Le circuit est resté correctement fermé : le fer est encore au degré (II), il n’a donc pas rencontré de dioxygène. Un précipité rouille aurait révélé du fer(III), signe d’une entrée d’air — à chercher du côté des purgeurs, des joints ou d’appoints d’eau trop fréquents. Attention : ce test ne dit rien de l’âge de la corrosion ; un circuit corrodé depuis des années, mais bien étanche, donne lui aussi un précipité vert.
  3. Le test est négatif : l’eau ne contient pas d’ions chlorure Cl− en quantité détectable. C’est plutôt une bonne nouvelle, les chlorures accélérant la corrosion des circuits.

Le matériel et la verrerie du laboratoire

Réaliser un test, une dissolution ou une mesure suppose de savoir nommer le matériel et de choisir celui qui convient. Un volume lu dans un bécher n’a pas la même précision que le même volume prélevé à la pipette jaugée.

Le matériel courant
MatérielÀ quoi il sertPrécision sur le volume
Tube à essaiRéaliser un test sur quelques millilitres de solutionAucune (pas gradué)
BécherContenir, mélanger, dissoudre ; verser d’un récipient à l’autreTrès faible (graduations indicatives)
ErlenmeyerContenir une solution que l’on agite sans risque de projection (col étroit)Très faible
Éprouvette graduéeMesurer un volume approchéMoyenne
Pipette jaugéePrélever un volume précis et unique (10 mL, 20 mL…)Élevée
Fiole jaugéeObtenir un volume final de solution précis (trait de jauge)Élevée
EntonnoirTransvaser un liquide ou une poudre sans en perdre—
PissetteRincer la verrerie et compléter à l’eau distillée—
Agitateur en verreAider la dissolution en remuant—
Spatule et verre de montrePrélever et peser un solide en poudre—
Balance de précisionPeser une masse de soluté (au centigramme)—
Attention — Choisir la bonne verrerie
Le bécher et l’erlenmeyer servent à contenir, pas à mesurer. Dès qu’un volume doit être exact — préparer une solution, réaliser une dilution — on utilise la pipette jaugée pour prélever et la fiole jaugée pour le volume final. La lecture se fait toujours au bas du ménisque, l’œil à hauteur du trait de jauge.
Cette verrerie est remise en œuvre au chapitre 8, pour préparer une solution de concentration donnée.

4. Les molécules

Définition
Une molécule est un assemblage de plusieurs atomes liés entre eux par des liaisons chimiques. Une molécule est électriquement neutre.

La formule brute

La formule brute (ou formule moléculaire) indique la nature et le nombre d’atomes présents dans une molécule. Les indices (chiffres en bas) indiquent le nombre d’atomes de chaque élément.

Formule brute Nom Composition Remarque
H2O Eau 2 atomes H + 1 atome O Liquide à température ambiante, solvant universel
CO2 Dioxyde de carbone 1 atome C + 2 atomes O Gaz de l’air (0,04 %), produit lors des combustions (gaz, bois, essence)
CH4 Méthane 1 atome C + 4 atomes H Gaz naturel, gaz combustible
O2 Dioxygène 2 atomes O Gaz de l’air (21 %), nécessaire à la combustion
N2 Diazote 2 atomes N Gaz de l’air (78 %)
C6H12O6 Glucose 6 C + 12 H + 6 O Sucre produit par les plantes (photosynthèse), carburant des muscles
Méthode — Lire une formule brute
Exemple : H2O
• H2 : 2 atomes d’hydrogène
• O : 1 atome d’oxygène (l’absence d’indice = 1 atome)
• La molécule est composée de 3 atomes au total et est électriquement neutre.

Distinction atome / ion / molécule

Entité Charge Composition Exemple
Atome Neutre (0) 1 seul atome Fe, C, Na
Ion Non nulle (+ ou −) 1 atome ou groupe d’atomes Na+, Cl−, SO42−
Molécule Neutre (0) Plusieurs atomes liés H2O, CO2, CH4
Application

Classer les entités suivantes dans le tableau (atome / ion / molécule) et préciser leur charge électrique :

Fe  |  H2O  |  Na+  |  CO2  |  Cl−  |  O  |  SO42−  |  Cu2+

EntitéClasseCharge
FeAtomeNulle (neutre)
H2OMoléculeNulle (neutre)
Na+Ion (cation)+1
CO2MoléculeNulle (neutre)
Cl−Ion (anion)−1
OAtomeNulle (neutre)
SO42−Ion (anion)−2
Cu2+Ion (cation)+2
Application

Analyser la formule brute du glucose : C6H12O6

  1. Quels éléments chimiques sont présents dans le glucose ?
  2. Combien y a-t-il d’atomes de chaque élément ?
  3. Combien y a-t-il d’atomes au total dans une molécule de glucose ?
  4. Le glucose est-il un atome, un ion ou une molécule ? Justifier.
1. Éléments : carbone (C), hydrogène (H) et oxygène (O).
2. 6 atomes de C, 12 atomes de H, 6 atomes de O.
3. Total : \(6 + 12 + 6 = 24\) atomes par molécule de glucose.
4. Le glucose est une molécule : c’est un assemblage de plusieurs atomes (24) liés par des liaisons chimiques. Il est électriquement neutre (pas d’exposant de charge dans la formule).
Application

La cellulose, polymère principal du bois, a la formule : (C6H10O5)n où n est un grand nombre entier (plusieurs milliers).

  1. Quels éléments chimiques composent la cellulose ?
  2. L’unité de base (monomère) a pour formule C6H10O5. Combien d’atomes comporte une unité de base ?
  3. Si une longue chaîne de cellulose comporte n = 5 000 unités, combien y a-t-il d’atomes de carbone au total ?
  4. La cellulose est-elle un atome, un ion, une molécule ou un polymère ? Expliquer.
1. La cellulose contient trois éléments : carbone (C), hydrogène (H) et oxygène (O).

2. Une unité de base C6H10O5 comporte : \(6 + 10 + 5 = \mathbf{21}\) atomes.

3. Pour n = 5 000 unités : nombre d’atomes de carbone \(= 6 \times 5\,000 = \mathbf{30\,000}\) atomes de C.

4. La cellulose est un polymère (macromolécule). C’est une très longue molécule formée par la répétition d’une unité de base (le monomère glucose). Elle est électriquement neutre (pas d’ion).

5. États de la matière à l’échelle microscopique

Les trois états physiques de la matière correspondent à différentes organisations des particules (atomes, ions, molécules) à l’échelle microscopique.

État physique Organisation des particules Distances entre particules Agitation thermique Exemple
Solide Ordonnée (réseau rigide) Très faibles (particules jointives) Faible (vibrations sur place) Bois, métal, glace
Liquide Désordonnée mais dense Faibles (particules proches) Moyenne (mouvements locaux) Eau, colle, vernis
Gaz Désordonnée et très espacée Grandes (particules éloignées) Forte (mouvements rapides aléatoires) Air, vapeur d’eau
Les trois états de la matière : solide, liquide, gaz SOLIDE Ordonné, vibrations sur place LIQUIDE Désordonné, mobile, proche GAZ Désordonné, rapide, espacé

Représentation microscopique des trois états de la matière : solide (réseau ordonné), liquide (proche mais mobile), gaz (très espacé et agité).

Changements d’état
En chauffant un solide, on augmente l’agitation thermique des particules :
• Les particules vibrent de plus en plus fort (solide).
• Les liaisons entre particules se rompent → fusion (passage à l’état liquide).
• Les particules s’échappent dans l’air → vaporisation (passage à l’état gazeux).
Application

Sur un chantier de rénovation, on observe les matériaux et substances suivants :

A. Une planche de chêne  |  B. De la colle vinylique dans un pot  |  C. De la vapeur d’eau au-dessus d’une marmite  |  D. Du white-spirit dans un récipient  |  E. De l’air ambiant  |  F. Un clou en acier

  1. Classer chaque substance dans son état physique (solide / liquide / gaz).
  2. Pour l’état solide : décrire l’organisation microscopique des particules.
  3. Le white-spirit s’évapore rapidement. Quel changement d’état se produit ? Comment appelle-t-on ce phénomène ?
  4. Quel est le risque lié à la présence de vapeurs de white-spirit dans une pièce fermée ?
1.
  • Solides : A (planche de chêne), F (clou en acier)
  • Liquides : B (colle vinylique), D (white-spirit)
  • Gaz : C (vapeur d’eau), E (air ambiant)
2. Dans un solide, les particules sont très proches les unes des autres, organisées en réseau régulier (pour un métal) ou en structure ordonnée. Elles vibrent sur place mais ne se déplacent pas librement.

3. Le white-spirit passe de l’état liquide à l’état gazeux : c’est une évaporation (ou vaporisation). Les molécules de solvant ont assez d’énergie pour quitter la surface du liquide.

4. Les vapeurs de white-spirit sont inflammables et peuvent former un mélange explosif avec l’air. Risque d’incendie ou d’explosion si une source d’ignition est présente. L’atelier doit être ventilé et les sources d’étincelles évitées.

Particules et états physiques — animation

Observe le comportement des particules selon l’état physique : utilise les boutons ci-dessous pour changer d’état.

● État actuel : Solide — particules fixées en réseau, vibrations infimes

6. Applications professionnelles

Composition de quelques matériaux courants en atelier et sur chantier

Eau (H2O)
L’eau est utilisée pour nettoyer les surfaces, délier certaines colles, préparer des solutions. Sa formule H2O montre qu’elle est composée de 2 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène. L’eau est une molécule polaire qui peut dissoudre des sels (ions).
CO2 dans l’air
Le dioxyde de carbone (CO2) est un gaz présent dans l’air. Il est produit lors de toute combustion : gaz naturel dans une chaudière, essence dans un moteur, bois dans un poêle. Formule : 1 atome de carbone + 2 atomes d’oxygène.
Ions dans les produits de traitement du bois
De nombreux produits de traitement du bois contiennent des ions métalliques :
• Fe3+ (ion fer III) : dans certains fongicides à base de sels de fer.
• Cu2+ (ion cuivre II) : dans les produits à base de cuivre (traitement autoclave).
Ces ions sont responsables de l’activité biocide (protection contre les champignons et insectes).
NaCl — sel dans l’eau de nettoyage
Le sel de cuisine est du chlorure de sodium NaCl. Dissous dans l’eau, il se sépare en ions : Na+ (ions sodium) et Cl− (ions chlorure). Une eau salée est conductrice de l’électricité — risque supplémentaire près des installations électriques.
Attention — Sécurité
Certains produits de traitement du bois contiennent des ions toxiques (Cu2+, Cr6+…). Il est obligatoire de consulter la Fiche de Données de Sécurité (FDS) et de porter les Équipements de Protection Individuelle (EPI) adaptés.

Matériaux courants : composition chimique détaillée

Le bois — un matériau organique complexe

Le bois est constitué principalement de trois bio-polymères :

Cellulose
(C6H10O5)n

Polymère de glucose. Constitue les fibres du bois (40–50 %). Donne la rigidité mécanique.

Lignine
C9H10O2…

Polymère aromatique complexe (20–30 %). Cimente les fibres de cellulose. Donne la dureté au bois.

Hémicellulose
C5H8O4…

Polymères de sucres en C5 (xyloses). Relie la cellulose et la lignine (15–25 %).

Eau (H2O)
H2O

Bois vert : 30–60 % d’eau. Bois sec : <15 %. L’humidité influe sur les dimensions (gonflement).

La cellulose et la lignine sont des polymères : de très longues molécules formées de la répétition d’une unité de base (monomère).

Métaux — Fer et aluminium

Fer / Acier
Fe   Z=26, A=56

Quincaillerie, clous, vis. L’acier est un alliage Fe + C (carbone). Se corrode (rouille : Fe2O3·nH2O).

Aluminium
Al   Z=13, A=27

Profilés, ferrures, fenêtres alu. Léger (masse volumique 2,7 g/cm³), ne rouille pas (couche Al2O3 protectrice).

Zinc
Zn   Z=30, masse atomique moyenne ≈ 65 u

Galvanisation de l’acier, gouttières. Protège le fer par anode sacrificielle.

Cuivre
Cu   Z=29, masse atomique moyenne ≈ 63,5 u

Câbles électriques, tuyauterie. Bonne conductivité électrique et thermique.

Application

Dans la quincaillerie, on trouve des vis en acier (alliage de fer). L'aluminium, lui, ne rouille pas.

  1. Pourquoi faut-il protéger les vis en acier contre la corrosion ? Quel ion est responsable de la rouille ?
  2. Quel est le nom de la couche protectrice qui se forme naturellement sur l'aluminium ? Quelle est sa formule chimique ?
1. Le fer se corrode car il réagit avec l'eau et l'oxygène de l'air. La rouille est un oxyde de fer hydraté (Fe2O3·nH2O). L'ion responsable lors de la corrosion est Fe2+ (ion fer II) ou Fe3+ (ion fer III).

2. L'aluminium se recouvre spontanément d'une couche d'alumine, de formule Al2O3. Cette couche très fine est adhérente et empêche l'oxygène d'atteindre le métal en dessous.

Peintures, vernis et colles

Peinture glycérophtalique
Résine + solvant

Solvant : hydrocarbures (white-spirit, C9H20…). Pigments minéraux (TiO2, oxydes Fe). Liant : résine polymère.

Colle vinylique
PVA — (C4H6O2)n

Poly(acétate de vinyle) en émulsion aqueuse. Polymère thermoplastique. Sèche par évaporation de l’eau.

Vernis polyuréthane
Résine PU

Polymère réticulé (polyuréthane). Deux composants : polyol + isocyanate. Très résistant.

Silicone
[Si(CH3)2O]n

Polymère organosilicié. Mastic d’étanchéité. Très bonne tenue aux UV et à l’eau.

Tableau des matériaux courants — Formules et propriétés

Matériau Formule / Composition Type d’entité principale Propriété clé Usage en atelier
EauH2OMoléculeSolvant universelNettoyage, colles aqueuses
Cellulose(C6H10O5)nPolymèreRigidité, fibreStructure du bois
FerFe (Z=26)Métal (atomes)Résistance, magnétismeVis, clous, charnières
AluminiumAl (Z=13)Métal (atomes)Légèreté, anticorrosionProfilés, fenêtres
Dioxyde de titaneTiO2Solide ioniquePigment blanc opaquePeintures, enduits
Colle vinylique (PVA)(C4H6O2)nPolymèreAdhésion sur boisAssemblage, placage
White-spiritMélange C9–C14Molécules organiquesSolvant peintures glyc.Nettoyage pinceaux
PlâtreCaSO4·½H2OSolide ioniquePrise par hydratationCloisons, enduits

7. Tableau de synthèse

Entité Définition Charge électrique Exemples
Atome Plus petite entité d’un élément ; noyau (p+ + n0) + électrons (e−) Nulle (neutre) : nb e− = nb p+ H, C, O, Na, Fe
Cation Atome ou groupe d’atomes ayant perdu des électrons Positive (+) Na+, Ca2+, Fe3+, Cu2+
Anion Atome ou groupe d’atomes ayant gagné des électrons Négative (−) Cl−, O2−, SO42−, OH−
Molécule Assemblage d’atomes liés par des liaisons chimiques Nulle (neutre) H2O, CO2, CH4, O2

8. Approfondissement facultatif — Applications dans les métiers de l’énergie et du bâtiment

Cette partie facultative relie les notions de structure de la matière (atomes, ions, molécules) aux métiers de l’énergie, du bâtiment, du bois et de la maintenance. Elle peut être utilisée comme prolongement selon la filière.

1. Combustion du gaz naturel dans une chaudière — molécules
Le gaz naturel est principalement composé de méthane (formule : CH4), une molécule de 1 atome de carbone (C) et 4 atomes d’hydrogène (H).

Que se passe-t-il dans le brûleur d’une chaudière ?
La combustion complète du méthane est une réaction chimique avec le dioxygène (O2) de l’air :
• CH4 + 2 O2 → CO2 (dioxyde de carbone, gaz à effet de serre) + 2 H2O (vapeur d’eau)
• Si l’air manque (brûleur encrassé, ventilation insuffisante), la combustion est incomplète et produit du CO (monoxyde de carbone), gaz inodore et mortel.

Comprendre cette chimie explique pourquoi l’entretien annuel de la chaudière et la ventilation des locaux sont obligatoires. Le même raisonnement s’applique à la combustion du bois dans un poêle.
2. Rouille = oxyde de fer — identification des éléments
La rouille est un oxyde de fer hydraté de formule générale Fe2O3 (ou Fe2O3·nH2O). Elle se forme par la réaction du fer avec le dioxygène et l’eau de l’air :

4 Fe  +  3 O2  +  2n H2O  →  2 Fe2O3·nH2O Éléments impliqués : fer (Fe, Z=26) + oxygène (O, Z=8) + hydrogène (H, Z=1)
Sur une installation de chauffage ou sur un chantier :
• Les radiateurs, canalisations en acier, vis et ferrures non protégés rouillent au contact de l’humidité.
• Dans un circuit de chauffage, la corrosion forme des boues d’oxydes de fer (ions Fe2+ et Fe3+) qui encrassent radiateurs et pompe.
• Protection : galvanisation (couche de zinc Zn), peinture anticorrosion, acier inoxydable (alliage Fe + Cr), inhibiteur de corrosion dans l’eau du circuit.
• Identifier les éléments Fe et O dans Fe2O3 permet de comprendre la nature chimique de la corrosion.
3. Vernis et solvants — molécules organiques et sécurité
Les vernis, peintures et colles utilisés en atelier et sur chantier contiennent des molécules organiques basées sur les atomes C, H et O :

• Solvants (white-spirit, acétone, toluène) : molécules composées de C et H (et parfois O). Exemples : acétone C3H6O, hexane C6H14.
• Résines (polyuréthane, époxy) : polymères à base de C, H, O, N.
• Pigments : souvent des oxydes métalliques (TiO2, Fe2O3).

Pictogrammes de sécurité liés à la chimie :
Pictogramme Signification Molécules concernées Précaution en atelier
🔥 Inflammable Le produit peut s’enflammer facilement Solvants organiques (C, H) Pas de flamme, étincelle, cigare en atelier
Danger pour la santé Vapeurs toxiques ou irritantes Isocyanates, formaldéhyde, solvants halogénés Port du masque, ventilation forcée
☠ Toxique Danger grave (ingestion, inhalation, contact) Produits à base de Cr6+, solvants chlorés EPI complets, FDS obligatoire
🌍⚠ Dangereux pour l’environnement (GHS09) Ne pas rejeter dans les égouts ou la nature Huiles, solvants, produits de traitement Collecte séparée, déchetterie spécialisée

9. À retenir

À retenir
  1. Un atome est constitué d’un noyau (protons Z + neutrons) et d’électrons. Il est électriquement neutre. Son numéro atomique Z = nombre de protons.
  2. Un ion est un atome (ou groupe d’atomes) qui a perdu (cation, charge +) ou gagné (anion, charge −) des électrons. Il n’est plus neutre.
  3. Une molécule est un assemblage neutre de plusieurs atomes liés. La formule brute indique la nature et le nombre d’atomes (ex. H2O = 2 H + 1 O).
  4. Les 3 états de la matière diffèrent par l’organisation des particules : solide (ordonné, vibrations), liquide (proche, mobile), gaz (éloigné, désordonné).
  5. Dans la vie professionnelle : l’eau (H2O), le CO2 (produit des combustions), le CO (combustion incomplète), les ions Cu2+ et Fe3+ (traitements, corrosion) sont des entités chimiques importantes à connaître pour la sécurité.

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