Familles de matériaux

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L'essentiel

Les matériaux peuvent être regroupés en quelques grandes classes en fonction de leurs propriétés : on distingue ainsi les métaux (conducteurs de l'électricité), les matières plastiques et les papiers (brûlant facilement), les verres.
Lors de l'élaboration d'un objet, ces matériaux sont choisis selon leurs propriétés : résistance aux produits chimiques (plastiques et verres), conduction électrique (métaux), mise en forme facile (plastiques)…

La fiche

Une multitude d'objets variés sont présents dans notre environnement. Selon l'usage des objets, les matériaux qui entrent dans leur composition sont retenus par les industriels en fonction de leurs propriétés – lors de la fabrication mais aussi selon l'usage de l'objet – et en tenant aussi compte des possibilités de recyclage des matériaux. Il importe donc de pouvoir identifier facilement les matériaux qui nous entourent, connaître leurs principales propriétés et leurs possibilités de recyclage.
Les métaux, les matières plastiques, les papiers ou cartons, et les céramiques ou verres constituent les principales classes de matériaux rencontrés.
Les métaux
Il est facile de distinguer un métal d'un autre matériau : tout métal est très bon conducteur de l'électricité, par exemple, les fils conducteurs dans une installation électrique sont en cuivre métal.
Caractéristiques physiques
En plus d'être de bons conducteurs de l'électricité, les métaux présentent (lorsqu'ils ont été préalablement décapés), un aspect brillant, on parle d'ailleurs de leur éclat métallique. Tout en étant opaques à la lumière, ils sont très réfléchissants. Les miroirs, par exemple, ont longtemps été fabriqués à partir de métal poli (bronze, argent) avant d'être obtenus par dépôt d'une très mince couche de métal sur du verre.
On reconnaît le cuivre des autres métaux à sa teinte rouge-jaune. On peut reconnaître la présence de fer dans un objet (en acier par exemple) : ce métal est attiré par un aimant.
Les métaux ont en général une grande plasticité, c'est-à-dire qu'ils restent faciles à usiner ou profiler. Ainsi, l'acier et l'aluminium sous forme de feuilles sont très malléables, on peut former facilement des boîtes ou des canettes.
Interprétation microscopique de leur conduction électrique
Deux atomes sont différents si leurs noyaux sont différents, c'est-à-dire s'ils n'ont pas le même nombre de protons et de neutrons. Dans ce cas-là, ils occupent deux cases différentes de la classification des atomes (qui les classe par nombre croissant de protons). Pour la même raison, puisque des atomes métalliques de différentes espèces n'ont pas la même taille, ni la même masse, ni le même volume, ni les mêmes propriétés, alors une certaine quantité de fer (par exemple 1 mole) et la même quantité de cuivre n'occupent pas le même volume, et n'ont pas la même masse.
Les atomes de cuivre sont différents des atomes de fer ou d'aluminium car ils n'ont pas les mêmes noyaux. Ainsi, un atome d'aluminium possède 13 protons et 14 neutrons, ainsi que 13 électrons pour être neutre. Il est le seul atome de la classification périodique des éléments à posséder 13 protons.
Deux atomes, qui différent par leur nombre de protons, peuvent tout à fait avoir le même nombre de neutrons.
Zoom
L'atome© CEA
L'atome
Dans tous les atomes, quel que soit leur nom (fer Fe, cuivre Cu, aluminium Al…), tous les électrons sont identiques entre eux. L'appartenance d'un électron à tel ou tel atome n'est pas caractéristique de l'atome.
Dans un matériau conducteur, le courant électrique peut être dû à un mouvement d'électrons ou bien d'ions. On peut considérer que, dans un métal, les noyaux métalliques mettent en commun des électrons de leurs couches externes. C'est le mouvement de ces électrons, libres de se déplacer d'un atome à l'autre, qui est responsable, au niveau microscopique, du courant électrique. Un isolant ne possède ni électrons, ni ions capables de se déplacer librement.
Principales réactions des métaux
Par définition, une réaction chimique correspond à une transformation de la matière où les atomes contenus dans les réactifs (substances susceptibles de réagir entre elles) se redistribuent entre eux pour former de nouvelles liaisons. Ils donnent naissance à un ou plusieurs produits qui contiennent dans l'ensemble les mêmes atomes, mais dont les liaisons ont changé. Une réaction chimique s'identifie donc à la rupture des liaisons chimiques entre atomes des réactifs.
Les métaux peuvent réagir avec le dioxygène (réaction d'oxydation) ou avec certaines solutions acides ou basiques.
La corrosion est un exemple d'oxydation, car le fer réagit avec le dioxygène contenu dans l'air. C'est la même chose pour une combustion, mais elle s'effectue à une température bien plus élevée. Dans ces deux cas, le produit formé est une combinaison d'atomes de fer et d'atomes d'oxygène liés entre eux.
La combustion des métaux peut s'effectuer s'ils ont été préalablement finement divisés, la flamme prend alors une teinte caractéristique du métal. En revanche, à l'état de solides pleins, ils commencent d'abord par fondre si on élève fortement leur température.
Pour l'écriture de l'équation qui décrit la réaction chimique, il faut respecter le nombre d'atomes de chaque type (ici, Fe et O) avant et après réaction, car ce nombre est conservé. Dans le cas où le symbole de l'élément est suivi d'un indice, celui-ci figure le nombre d'atomes dans un composé donné.
L'oxyde de fer Fe2O3 contient 2 atomes de fer et 3 atomes d'oxygène. La rouille, qui est une oxydation du fer, s'effectue dans le dioxygène de l'air, en présence d'eau. La rouille ne se forme pas dans l'air parfaitement sec. Le sel joue le rôle de catalyseur, c'est-à-dire qu'il accélère la formation de rouille. En revanche, l'aluminium ne « rouille » pas, car il se recouvre d'une pellicule d'oxyde d'aluminium (appelée alumine) qui protège la surface d'aluminium.
Le cuivre est l'un des rares métaux à ne pas être attaqué par l'acide chlorhydrique, alors que le fer, en particulier, réagit vivement avec l'acide chlorhydrique. Cette réaction produit du dihydrogène H2 gazeux. Inversement, la soude (une base) n'attaque pas le fer, mais attaque le zinc et l'aluminium.
Contre-exemples : un mélange fer + sable n'est pas une réaction car il n'y a pas spontanément une modification des liaison entre atomes ; de même, les métaux peuvent subir des changements d'état, comme la fusion lorsqu'il s'agit d'un passage de l'état solide à l'état liquide, ce ne sont pas des réactions chimiques : les atomes, avant et après fusion, sont toujours les mêmes, mais il n'y a pas de composé nouveau.
Les métaux comme l'acier et l'aluminium sont recyclables.
Matières plastiques
Désormais, les matières plastiques sont omniprésentes dans notre environnement, mais la pollution qu'elles représentent est, elle aussi, énorme. C'est pourquoi les hypermarchés ne distribuent plus de sacs plastiques en caisse. Tous les plastiques ne sont en effet pas recyclables.
Les différents plastiques : tests de reconnaissance
On peut distinguer le polyéthylène PE, le polychlorure de vinyle PVC, le polystyrène PS, le polypropylène PP, le polyéthylène téréphtalate PET. Dans la plupart des emballages, les plastiques sont identifiés grâce à un logo spécifique. Mais, même sans logo, il est possible d'identifier le plastique considéré. Ainsi, si l'échantillon en plastique flotte sur l'eau, c'est du polyéthylène PE (il est moins dense que l'eau) ; si en revanche il flotte sur de l'eau salée, c'est du polystyrène PS.
S'il ne flotte pas sur l'eau, il peut suffire de chauffer une tige en cuivre, de l'enrober du plastique et de chauffer l'ensemble à la flamme d'un bec Bunsen. Si la flamme est verte, le plastique est du PVC (le dichlore qui s'échappe alors du PVC est responsable de la teinte verte). Ce test porte le nom de test de Belstein. Enfin, citons le test à l'acétone : si l'échantillon est attaqué dans de l'acétone, alors il s'agit de polystyrène PS.
Applications : avant de stocker un produit chimique dans un emballage en plastique, il faut prendre connaissance des pictogrammes d'utilisation et connaître le nom du plastique. En général, on ne réutilise pas un plastique pour un usage autre que celui auquel il était initialement destiné.
Diversités et applications
Le plastique est choisi en fonction de ses propriétés : dureté, résistance aux solvants, contact alimentaire, etc. C'est un emballage léger et imperméable. Son recyclage aisé permet de lui donner une seconde vie.
Réactivité
Contrairement aux métaux, un emballage en plastique peut résister aux solutions acides ou basiques, ce qui en fait un matériau de choix pour la conservation de telles solutions. Dans le cas du polystyrène PS, il faut prendre garde à sa possible dissolution dans de l'acétone. Cependant, la combustion des matières plastiques peut comporter des risques sanitaires car l'un des produits de la combustion peut être toxique (c'est le cas du PVC).
Les emballages en plastiques sont recyclables.
Céramiques et verres
Reconnaissance
Le verre est un matériau transparent, imperméable, indéformable mais facilement cassable. Il peut être recyclé après utilisation : il est refondu pour redonner du verre, sans perdre ses propriétés ou qualités.
Réactivité
Habituellement, le verre ne présente pas de réactivité chimique particulière, ce qui explique son utilisation en chimie pour la manipulation ou pour le stockage des solutions. En moyenne, 30 % des emballages sont réalisés en verre.
Transparence optique
Contrairement aux métaux qui sont opaques à la lumière visible, et même aux matériaux plastiques qui sont translucides mais non transparents (l'objet que l'on cherche à observer à travers le matériau en plastique est déformé ou mal perçu), les verres ont généralement une excellente qualité optique. C'est pourquoi on les utilise pour les vitres des fenêtres ou les verres correcteurs.

Zoom sur…

Le recyclage
Depuis le 15 novembre 2006, les appareils électriques ou électroniques (électroménagers, informatique, téléphonie mobile, etc.) sont soumis à une taxe appelée taxe Éco-participation, dont le but est de participer financièrement à leur recyclage futur, leur valorisation ou leur dépollution.
Ce système de contribution obligatoire vise à initier un élan de solidarité nationale autour d'une meilleure protection de notre environnement.
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