Les familles de matériaux
Il existe plusieurs familles de matériaux :
les matériaux métalliques purs (fer, cuivre, zinc, plomb, nickel, or, argent) ou en mélanges tels les alliages (acier et fonte : fer et carbone ; acier inoxydable : fer, carbone, nickel et chrome ; bronze : cuivre et étain ; laiton : cuivre et zinc). Ce sont des matériaux rigides, durs et déformables
les matériaux organiques qui comportent de longues chaînes de carbone. Ce sont des polymères comme les matières plastiques, issues de la pétrochimie mais aussi des matières animales ou végétales : bois, coton, carton, caoutchouc… La plupart sont des isolants thermiques et électriques qui résistent difficilement à des températures supérieures à 200 °C ;
les matériaux minéraux ou céramiques qui sont des roches, des minéraux ou des verres. Ils ont une résistance mécanique et à la température, mais pas aux chocs. La plupart sont des isolants thermiques et électriques ;
les matériaux composites qui empruntent à au moins 2 familles de matériaux précédents : c’est par exemple une structure métallique enserrée dans des matières plastiques (skis, pneumatiques…) ou des minéraux (béton). Ils ont été développés pour leurs propriétés intéressantes.
Les propriétés des matériaux
A) Le choix d’un matériau
Les matériaux sont choisis selon un cahier des charges en fonction de propriétés physiques attendues : électriques, mécaniques, optiques ou magnétiques. On utilise son savoir-faire et des tableaux de matériau pour déterminer celui qui conviendra.
Ainsi pour un avion, les matériaux doivent être légers, résistants aux contraintes mécaniques : le choix s’oriente vers des alliages légers ou des matériaux composites.
B) Le cycle de vie d’un matériau
Depuis l’extraction des matières premières jusqu’à leur recyclage, les matériaux sont inscrits dans un cycle qu’il faut prévoir dès le cahier des charges. Cela permet de travailler en éco-conception dans le but de limiter la mise en décharge en fin d’utilisation.
Les liaisons chimiques
A) La représentation des molécules
Une molécule est en général composée de différents atomes. On la représente à l’aide d’une formule brute : cette formule indique le nombre et la nature des atomes qui constituent la molécule. Le nombre de chacun des atomes est précisé en indice à droite du symbole des atomes.
Exemples
Le méthane s’écrit CH4, il contient donc un atome de carbone et 4 atomes d’hydrogène.
L’éthanol s’écrit C2H6O, il contient donc 2 atomes de carbone, 6 atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène. Inversement, une molécule qui contiendrait 3 atomes de carbone, 8 atomes d’hydrogène et 2 atomes d’oxygène aurait pour formule brute C3H8O2.
B) Les liaisons covalentes
Une liaison de covalence (ou doublet liant) correspond à la mise en commun de 2 électrons par 2 atomes. Chaque atome fournit un électron. Le doublet d’électrons de liaison appartient entièrement aux 2 atomes. La liaison est représentée par un trait entre les 2 atomes : C—H.
Cette mise en commun d’électrons permet à chaque atome de compléter son nombre d’électrons pour satisfaire à la règle de l’octet ou du duet, pour avoir une structure électronique stable comme le gaz rare le plus proche.
Ainsi, l’élément oxygène a 6 électrons sur sa couche externe, il doit donc établir 2 liaisons de covalence pour compléter sa couche électronique à 8 électrons en partageant 2 électrons. Il lui reste donc 4 électrons non partagés, qui ne créent pas de liaison : cela constitue donc 2 doublets non liants représentés par des traits sur les côtés de l’élément chimique.
Structure électronique de quelques atomes
Un atome va en général former autant de liaisons qu’il lui manque d’électrons pour obéir à la règle du duet ou de l’octet.
Il arrive qu’il y ait 2, voire 3 liaisons de covalence entre 2 atomes. On place alors 2 traits ou 3 traits entre les 2 atomes. Dans une molécule, tous les électrons s’associent par paire (doublet d’électrons).
C) La représentation de Lewis
La représentation de Lewis des molécules fait apparaître toutes les liaisons covalentes et tous les doublets non liants des atomes constituant la molécule.
EXEMPLES
Exemple 1
Le méthane a pour formule CH4. Pour obtenir la représentation de Lewis de cette molécule, il faut procéder en plusieurs étapes :
pour chaque atome constituant la molécule, on recherche le nombre de liaisons et de doublets non liants : H a 1 liaison et C a 4 liaisons ;
puis on dessine les atomes en faisant apparaître le bon nombre de liaisons de covalence (cf. formule ci-contre) ;
il n’y a pas besoin d’ajouter de doublet non liant car ses atomes n’en possèdent pas. On vérifie que chaque atome dispose bien de 4 doublets autour de lui (un doublet dans le cas de l’hydrogène).
Exemple 2
La molécule de dioxygène O2 comporte une double liaison : O=O, et chaque atome d’oxygène forme 2 liaisons de covalence et garde 2 doublets non liants :
La molécule d’eau comporte donc 2 liaisons OH : l’atome d’oxygène forme 2 liaisons de covalence et garde 2 doublets non liants :
La molécule de dioxyde de carbone comporte 2 double liaisons C=O :
La molécule de chlorure d’hydrogène comporte une liaison simple H—Cl :
Les polymères
A) La réaction de polymérisation
Les polymères sont des matériaux constitués de très grosses molécules, appelées macromolécules. Il existe de nombreux polymères naturels tels que le caoutchouc, la soie et de nombreux autres sont synthétiques : ils sont alors obtenus à partir de molécules de base, les monomères. Les monomères réagissent entre eux et s’assemblent en de longues chaînes au cours de transformations chimiques appelées polymérisations, pouvant se réaliser selon 2 techniques :
la polycondensation : les monomères produisent un polymère et des petites molécules comme H2O ou HCl ;
la polyaddition : les monomères se lient entre eux pour former le polymère. Ces monomères comportent une double liaison carbone carbone C=C : ce sont des alcènes. Les doubles liaisons s’ouvrent pour former de nouvelles liaisons avec les molécules suivantes et permettre d’allonger la chaîne.
Les matières plastiques peuvent être :
thermoplastiques : elles fondent lorsqu’on les chauffe, puis redeviennent dures en refroidissant. On peut recommencer plusieurs fois ce cycle sans les détériorer ;
thermodurcissables : lorsqu’on les chauffe une fois, leur structure va se rigidifier et elles deviennent dures. Elles ne peuvent plus être fondues pas la suite.
B) La formule générale d’un polymère
a) Le cas des polyadditions
La polymérisation de l’éthylène : la réaction démarre entre 2 monomères contenant une double liaison C=C pour former un dimère :
La réaction continue pour former un polymère. À chaque fois qu’un monomère CH2=CH2 s’ajoute, le polymère s’allonge d’un motif —CH2—CH2. On écrit la réaction de polymérisation :
n CH2=CH2 → (CH2—CH2)n
Le polymère obtenu s’appelle ici « le polyéthylène ».
Le nombre n est l’indice de polymérisation. Ce nombre peut être très grand et atteindre plusieurs millions.
Dans le cas du styrène, la polymérisation va conduire au polystyrène, matière plastique utilisée pour l’isolation ou les emballages. La réaction est analogue à celle de l’éthylène :
On remarque que le motif et le monomère ont la même formule brute.
b) Le cas des polycondensations
La polycondensation va se réaliser par réaction entre 2 groupes fonctionnels, qui peuvent être portés par 2 molécules différentes ou par une seule.
Dans le cas du polyéthylène téréphtalate (PET), la réaction se produit entre l’acide téréphtalique, qui est un diacide et le glycol qui est un dialcool.
Une fonction acide carboxylique peut réagir avec une fonction alcool pour donner une fonction ester et élimination d’une molécule d’eau H2O :
La molécule obtenue comporte une fonction acide carboxylique et une fonction alcool, elle peut donc réagir soit avec un alcool soit avec un acide. La réaction va avancer et la chaîne va s’allonger. La réaction de polymérisation peut être alors notée :
C) Le recyclage des polymères
Les polymères peuvent être recyclés s’ils sont bien triés.
Les emballages en polyéthylène téréphtalate (PET) peuvent être recyclés s’ils n’ont pas contenu de matières dangereuses, de médicaments ou de graisses. Ce symbole placé sur les emballages indique la nature chimique du matériau constituant l’emballage.
Dans le cas du PET, on peut obtenir à nouveau les monomères initiaux en plaçant des emballages en PET dans une solution basique de glycol. Il est alors possible de recommencer une réaction de polymérisation avec les monomères récupérés.
Cependant, les matières plastiques recyclées thermoplastiques sont souvent fondues et placées en sandwich entre des matières plastiques neuves pour réaliser des récipients, ou servent pour fabriquer du remblai, ou des fibres.
Sur les autres matériaux plastiques recyclables, on trouve les symboles :
La préparation de solutions
A) La détermination d’une masse molaire moléculaire
La masse molaire moléculaire est calculée à partir des données du tableau périodique des éléments en effectuant la somme des masses molaires atomiques de tous les atomes constituant la molécule.
Definition
Masse molaire moléculaire : c’est la masse d’une mole de molécules.
EXEMPLES
La molécule de méthane CH4 contient 1 élément carbone et 4 éléments hydrogène. Sa masse molaire moléculaire se calcule facilement : M(CH4) = M(C) + 4M(H) soit M(CH4) = 12,0 + 4 × 1,0 = 16,0 g.mol–1.
De même, l’aspirine de formule C9H8O4 a pour masse molaire :
M(C9H8O4) = 9 M(C) + 8M(H) + 4 M(O) = 9 × 12,0 + 8 × 1,0 + 4 × 16,0 = 180 g.mol–1.
B) La concentration massique Cm
a) Le calcul de la concentration massique
La concentration massique Cm d’une espèce chimique en solution est la masse de l’espèce chimique par litre de solution. C’est le rapport de la masse de l’espèce chimique par le volume de solution. Elle s’exprime en kilogrammes par litre g.L–1.
Remarque
On utilise aussi très souvent le gramme par litre (g.L–1).
b) La préparation d’une solution aqueuse de concentration massique définie
Pour préparer une solution aqueuse de concentration massique précise par dissolution, il faut utiliser une balance et de la verrerie jaugée. Le mode opératoire est le suivant :
peser la masse m sur un verre de montre taré ;
introduire cette masse, en utilisant un entonnoir, dans une fiole jaugée (ayant le volume approprié) propre et remplie à moitié avec de l’eau distillée ou déminéralisée ;
rincer le verre de montre et l’entonnoir, mettre les eaux de rinçage dans la fiole jaugée ;
dissoudre totalement le solide ;
compléter la fiole jaugée jusqu’au trait de jauge avec de l’eau déminéralisée. Homogénéiser.
C) La concentration molaire C
La concentration molaire C d’une espèce chimique en solution est la quantité de matière de l’espèce chimique contenue par litre de solution. C’est le rapport de la quantité de matière de l’espèce chimique par le volume de solution. Elle s’exprime en mol.L–1.
Remarque
Il est souvent nécessaire de faire un calcul préalable de quantité de matière pour pouvoir déterminer la concentration molaire des solutions.
D) La dilution d’une solution aqueuse
Il est possible d’obtenir une solution aqueuse d’une espèce chimique de concentration donnée à partir d’une solution contenant la même espèce mais ayant une concentration plus importante.
La solution la plus concentrée s’appelle la solution mère et la solution diluée est la solution fille.
Pour déterminer le volume de solution mère à prélever, on utilise la relation : Cfille × Vfille = Cmère × Vmère :
Cfille est la concentration de la solution diluée.
Cmère est la concentration de la solution mère.
Vfille est le volume final de la solution diluée.
Vmère est le volume à prélever de la solution mère.
Pour préparer une solution aqueuse de concentration précise par dilution, il faut utiliser de la verrerie jaugée. Le mode opératoire est le suivant :
rincer la pipette jaugée avec la solution mère ;
prélever le volume de solution mère nécessaire avec la pipette jaugée munie d’une propipette ;
introduire le volume de solution mère dans une fiole jaugée (ayant le volume approprié) propre et remplie à moitié avec de l’eau distillée ou déminéralisée ;
compléter la fiole jaugée jusqu’au trait de jauge avec de l’eau déminéralisée. Homogénéiser.
La sécurité : le règlement CLP
A) Le règlement CLP
Le sigle CLP correspond à « Classification, Labelling, Packaging », ce qui signifie « Classification, étiquetage, emballage ». Ce règlement présente les :
pictogrammes de danger ;
classes de catégorie de dangers ;
mentions d’avertissement ;
mentions de danger ;
mentions de conseils de prudence.
B) Les neuf pictogrammes de danger
Ils sont marqués SGH, ce qui correspond à « Système général harmonisé », et numérotés de 1 à 9. Les pictogrammes de danger sont positionnés au milieu de l’étiquette. Ce système distingue 2 mentions d’avertissement : l’indication « Attention » qui signale des catégories de danger moins grave, alors que la mention « Danger » est réservée aux catégories de dangers les plus sévères.
a) Les pictogrammes de dangers physiques
b) Les pictogrammes de dangers pour la santé humaine
c) Les pictogrammes de dangers pour l’environnement
C) Les mentions de danger et les conseils de prudence
L’étiquette comporte des mentions de danger et des conseils de prudence (en dessous de la mention d’avertissement « Danger » ou « Attention »).
Ces mentions et conseils complètent les pictogrammes de danger et aident l’utilisateur à adapter son attitude.
Les mentions de danger sont écrites en toutes lettres et précédées de la lettre « H » suivie d’un nombre. Les conseils de prudence sont écrits en toutes lettres et précédées de la lettre « P » suivi d’un nombre.
D) La fiche de données de sécurité
Les fiches de données de sécurité (FDS) sont des compléments essentiels des étiquettes apposées sur les flacons de produits chimiques. Leur consultation doit être un réflexe avant toute utilisation d’un produit chimique.
Les fiches de données de sécurité reprennent de manière détaillée tout ce qu’on trouve sur l’étiquette et des informations complémentaires sur la toxicité des produits ou sur les risques en cas de combustion.