Matière en 3ᵉ : cours, exercices et méthode pour le brevet

Identifier la matière à l'échelle microscopique

Un objet, un liquide ou un gaz est formé de matière. La matière possède une masse et occupe un volume. À l'échelle microscopique, elle est constituée d'entités chimiques trop petites pour être vues à l'œil nu. Une espèce chimique est un ensemble d'entités identiques : l'eau pure est une espèce chimique constituée de molécules d'eau H₂O ; le cuivre métallique est une espèce chimique constituée d'atomes de cuivre Cu. Un mélange contient plusieurs espèces chimiques. L'air, par exemple, est un mélange de gaz. Une eau contenant du sel dissous est aussi un mélange, même si elle paraît uniforme.

Un atome est électriquement neutre. Il comprend un noyau central, chargé positivement, et des électrons, chargés négativement, autour de ce noyau. Dans un atome neutre, le nombre de charges positives du noyau est égal au nombre d'électrons. Son symbole chimique commence toujours par une majuscule : O désigne l'atome d'oxygène, C le carbone, Fe le fer. Attention : Co désigne le cobalt ; une minuscule ou une majuscule modifie donc le symbole.

Une molécule est un assemblage d'atomes liés entre eux. Dans H₂O, le chiffre ₂ signifie qu'une molécule contient deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Ce chiffre ne désigne ni une masse ni un nombre de molécules. Dans CO₂, chaque molécule contient un atome de carbone et deux atomes d'oxygène. Pour lire une formule, avance symbole par symbole : le chiffre placé en bas à droite d'un symbole indique combien d'atomes de cet élément sont présents. En l'absence de chiffre, il y en a un.

Ne confonds pas les constituants

Passer de l'atome à l'ion

Un ion est une entité électriquement chargée. Il se forme lorsqu'un atome, ou parfois un groupe d'atomes, perd ou gagne des électrons. Le noyau ne change pas lors de cette formation : seuls les électrons sont transférés. Si un atome perd des électrons négatifs, il devient positif. L'atome de sodium Na perd un électron et devient l'ion sodium Na⁺. Si un atome gagne des électrons négatifs, il devient négatif. L'atome de chlore Cl gagne un électron et devient l'ion chlorure Cl⁻.

Le signe écrit en exposant donne la charge de l'ion. Dans Ca²⁺, l'ion calcium porte deux charges positives : l'atome de calcium a perdu deux électrons. Dans O²⁻, l'ion oxyde porte deux charges négatives : l'atome d'oxygène a gagné deux électrons. Ne lis pas ²⁺ comme « deux ions positifs » : il s'agit de la charge d'un seul ion.

Dans une solution ionique, les ions se déplacent dans l'eau. C'est pour cette raison qu'une solution contenant des ions peut conduire le courant électrique. Le solide ionique chlorure de sodium est formé d'ions Na⁺ et Cl⁻, mais il est globalement neutre car les charges positives et négatives se compensent. Une écriture chimique doit toujours respecter cette neutralité quand elle décrit un solide ou une solution dans son ensemble. Tu dois distinguer l'ion isolé, chargé, et l'ensemble de la matière, qui peut être neutre.

Règle de conservation pendant une transformation chimique

Reconnaître une transformation et écrire son bilan

• Une transformation physique modifie l'état ou la forme d'une substance, sans modifier l'espèce chimique. La fusion de la glace donne toujours de l'eau : H₂O reste H₂O.
• Une transformation chimique produit de nouvelles espèces chimiques. Les espèces présentes au départ sont les réactifs ; celles formées sont les produits.
• Des indices peuvent signaler une transformation chimique : dégagement de gaz, changement de couleur, apparition d'un solide ou variation de température. Un seul indice ne suffit pas toujours à identifier les produits : il faut s'appuyer sur les observations ou les tests indiqués.
• Dans un bilan chimique, écris les réactifs à gauche de la flèche et les produits à droite. Exemple : carbone + dioxygène → dioxyde de carbone.
• Dans une équation chimique, les formules remplacent les noms. L'équation 2 C + O₂ → 2 CO est équilibrée : elle contient deux atomes de carbone et deux atomes d'oxygène de chaque côté.
• Pour vérifier une équation, compte chaque type d'atome avant et après la flèche. Tu peux modifier uniquement les nombres placés devant les formules, jamais les indices dans les formules : changer H₂O en H₂O₂ changerait l'espèce chimique.

Calculer et interpréter une masse volumique

La masse volumique d'un matériau indique la masse contenue dans un certain volume. Elle dépend de la nature du matériau et des conditions de température, mais pas de la quantité prélevée si le matériau est homogène et dans les mêmes conditions. Sa formule est ρ = m ÷ V, avec ρ la masse volumique, m la masse et V le volume. Si m est exprimée en g et V en cm³, alors ρ s'exprime en g/cm³. Si m est exprimée en kg et V en m³, alors ρ s'exprime en kg/m³. Tu ne mélanges jamais ces unités dans un même calcul.

La formule se transforme selon la grandeur recherchée : m = ρ × V et V = m ÷ ρ. Avant de calculer, écris la relation adaptée, puis remplace chaque lettre par sa valeur accompagnée de son unité. Exemple : un échantillon de 54 g occupe 20 cm³. Sa masse volumique vaut ρ = 54 ÷ 20 = 2,7 g/cm³. Le résultat possède une unité composée : elle est indispensable, car 2,7 seul ne signifie rien.

Pour identifier un matériau, compare la valeur obtenue à des valeurs de référence fournies dans l'énoncé. La comparaison est valable seulement si les unités sont identiques. Un objet peut flotter sur un liquide lorsque sa masse volumique moyenne est inférieure à celle du liquide. Le mot moyenne compte : un objet creux peut contenir de l'air et avoir une masse volumique moyenne plus faible que celle du matériau qui le constitue. Garde ce réflexe : formule, unités, calcul, conclusion rédigée. C'est ton plan de jeu.