1. La matière et les métaux

Exercices

Approfondissements.

Pourquoi les emballages de la photo ont-ils été classés ainsi ? ->

Comment vérifier que les matières plastiques sont bien organiques (leurs molécules sont "baties" avec des atomes de carbone essentiellement) ?

Brûlons un morceau de polyéthylène (sac plastique) : il se dégage du dioxyde de carbone. Les atomes de carbone ne peuvent venir que du polyéthylène !

Combustion du polyéthylène :

Un système d'aspiration est installé à gauche de l'image : il permet de faire déboucher les gaz de la combustion successivement dans les deux flacons de gauche. Déplacer le pointeur de la souris sur les 3 récipients pour avoir une meilleure description.

La combustion du polyéthylène dégage au moins de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone. C'est un composé organique !

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L'atome est très petit et pourtant, c'est une sorte de monde complexe, comme l'expérience de Rutherford va nous le montrer.

Remarquons que ce sont les philosophes grecs de l'antiquité qui ont eu, les premiers, l'idée de l'atome et qu'ils le croyaient insécable (atome vient de atomos qui signifie qui ne peut être coupé). Ils se trompaient donc sur ce dernier point !

L'expérience que nous allons décrire est due à Ernest Rutherford. Elle date de 1911 et fait partie des grandes expériences de la physique !

Description : une source radioactive donne un faisceau de particules alpha qui portent une charge électrique positive. Sur le trajet du faisceau de particules, Rutherford place une mince feuille d'or, et derrière-elle, des détecteurs.

Les résultats : Rutherford observe avec surprise au centre une tache lumineuse intense, ce qui prouve que presque toutes les particules alpha traversent la feuille d'or sans être déviées ! Il en déduit qu'elles ne rencontrent pas d'obstacles. Quelques tâches fluorescentes montrent qu'un petit nombre de particules ont été déviées (1 sur 100000). Cela correspond à la rencontre avec les noyaux d'atomes d'or, qui sont donc eux aussi chargés d'électricité positive, pour repousser ainsi les particules alpha. Cette expérience met aussi en évidence l'existence dans les atomes de charges électriques négatives. En effet, la matière est électriquement neutre ! On sait désormais que ce sont les minuscules électrons du nuage électronique de l'atome qui portent ces charges négatives.

Conclusion : Rutherford en déduit que la matière a une structure lacunaire et que l'atome est formé d'un noyau chargé positivement, nettement plus petit que l'atome, autour duquel des électrons, encore plus petits et chargés négativement, sont en mouvement rapide !

Dans tous ses états, la matière sur Terre, c'est donc surtout du vide !

L'image que l'on a des atomes est très approximative : la distance qui sépare les électrons du noyau n'a rien à voir avec celle que l'on dessine. Si l'on figurait le noyau par une sphère d'un centimètre, les électrons devraient être à un kilomètre. Les atomes sont surtout faits de vide, et la matière qu'ils constituent aussi, quel que soit son état.

Certes, les solides sont en général un peu plus denses que les liquides et beaucoup plus que les gaz, car les molécules s'organisent différemment suivant leur énergie. A mesure que la température s'élève, l'agitation augmente, et les molécules s'écartent de plus en plus les unes des autres, augmentant les espaces vides entre elles. Sur Terre, à l'état naturel, la densité de la matière n'excède jamais les 22,3 g/cm3. On sait toutefois la compacter en déstructurant les atomes : en créant un plasma dense, un mélange de noyaux atomiques et d'électrons arrachés à leur orbite, que l'on oblige à se rapprocher. Record atteint en laboratoire : 1 kg/cm3. Les flammes sont des plasmas peu denses, et la majeure partie de la matière stellaire et interstellaire est dans cet état. Sauf dans les pulsars, ces petites étoiles où l'on a enregistré des densités de 100 millions de tonnes par centimètre cube !! Là, les atomes n'existent plus. Il ne reste que des neutrons condensés à l'extrême.

La matière est le fruit d'un jeu de construction qui a commencé lors du big-bang. Si elle est faite de particules, elle est surtout pleine de vide et d'énergie !

Ses propriétés défient l'imagination. De la plante verte et sa chlorophylle à l'or pur, en passant par l'eau qui ruisselle dans nos mains, la matière revêt des aspects infinis et présente en apparence une chimie très variée. En fait, en y regardant de plus près, l'eau et la plante sont faits des mêmes éléments de base : trois particules essentielles et universelles : protons, neutrons et électrons.

Trois " ingrédients " qui ont suffi à créer une infinité de matériaux par le jeu de multiples combinaisons. Ils s'unissent tout d'abord toujours selon le même schéma - celui d'un mini système solaire - pour former des atomes. Au centre, un noyau, où protons et neutrons se " serrent les coudes ". A la périphérie, des électrons satellisés, autant qu'il y a de protons dans le noyau. La nature de l'atome dépend de ce nombre de protons et d'électrons. Vingt-neuf, c'est du cuivre. Trente, du zinc.

L'univers n'a guère fabriqué plus de cent atomes différents, mais ce sont eux qui ont engendré la diversité en se mixant à l'infini en des structures plus complexes : les molécules. Un atome de carbone et deux d'oxygène donnent du dioxyde de carbone, mais si le carbone est remplacé par du silicium, on obtient du sable, de la silice. Cette " cuisine " a commencé lors du big-bang, par la naissance de l'hydrogène : le mariage d'un seul proton et d'un simple électron.

Elle s'est poursuivie et se perpétue encore dans les étoiles, où les gros atomes naissent de la fusion d'atomes rudimentaires. Et si nous sommes là aujourd'hui, avec notre matière vivante, c'est grâce à ces étoiles qui, lors de leur mort, en explosant, ont " craché " dans l'espace tout ce qu'elles avaient fabriqué. Nous ne sommes, comme la planète où nous vivons, que de la poussière d'étoiles qui s'est agrégée et qui, par chance, a fini par inventer la vie …

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