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p. 1-24
Thème 1 - Organisation et transformations de la matière
Thème 2 - Mouvement et interactions
Thème 3 - L'énergie et ses conversions
Thème 4 - Des signaux pour observer et communiquer
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Nos dossier d'actualité
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Chapitre 4

La Physique-Chimie autrement

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Histoire des sciences
Pourquoi la masse volumique varie-t-elle ?

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Doc. 1
La structure cristalline cubique simple.

Placeholder pour <stamp theme='pc-green1'>Doc. 1</stamp> La structure cristalline cubique simple.<stamp theme='pc-green1'>Doc. 1</stamp> La structure cristalline cubique simple.

À gauche : disposition schématique des atomes dans le motif cubique.
À droite‑: occupation réelle des atomes dans le motif cubique.
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Doc. 2
Taches obtenues après projection d'un faisceau de rayons X sur un cristal de béryl.

Placeholder pour <stamp theme='pc-green1'>Doc. 2</stamp> Taches obtenues après projection d'un faisceau de rayons X sur un cristal de béryl.<stamp theme='pc-green1'>Doc. 2</stamp> Taches obtenues après projection d'un faisceau de rayons X sur un cristal de béryl.
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Doc. 3
Lien entre la structure cristalline et la masse volumique.

Avec l'amélioration des techniques de microscopie, on parvient à observer précisément l'organisation des atomes, et notamment le fait qu'ils sont disposés selon des motifs très réguliers. Chaque métal a une organisation différente : motif plus ou moins grand, atome plus ou moins lourd, etc. Tout cela influe sur la masse volumique !
Le motif le plus simple est appelé « cubique simple ». C'est celui que l'on étudie ici.
La masse volumique du métal est égale au rapport de la masse m d'un cube motif par son volume V = a3. Il faut donc connaitre le nombre d'atomes entiers d'un motif.
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Questions
En 1848, l'observation méthodique des cristaux amène Auguste Bravais à faire l'hypothèse que la matière est organisée symétriquement à très petite échelle. En 1912, les rayons X (découverts en 1895 par Wilhelm Röntgen), permettent à Max Von Laue de valider cette hypothèse, grâce à l'étrange image ci-dessous.

1. Doc. 1 Combien de huitièmes d'atome contient le motif cubique ? À quel nombre entier d'atome(s) cela correspond-il ?

2. Quel est le volume du cube ?

3. Quelle est l'expression de la masse volumique en fonction de m et a ? La masse volumique dépend-elle de l'organisation microscopique du solide ?

4. Peux-tu imaginer d'autres manières de répartir les atomes dans le cube ?
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Objet d'étude
Un téléphone portable à 15 € ?

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Doc. 1
Caractéristiques techniques de certains matériaux.

MatériauPrix (en € par kg)Masse volumiqueConducteurDureté
Fer0,17,9 g/cm3Moyen4
Aluminium22,7 g/cm3Bon1,5
Or30 00019 g/cm3Très bon2,5
Verre2504 g/cm3NonX
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Doc. 2
Contraintes imposées par le constructeur pour les différentes parties du téléphone.

 CircuitCoqueÉcran
ConducteurTrès bonÉventuellementNon
RésistantNonTrèsOui
Volume nécessaire10 mm330 cm38 cm3
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Questions
Tous les constructeurs de téléphones portables ont le même objectif : construire un téléphone performant, léger et le moins cher possible. Pour y parvenir, le choix des matériaux est crucial !

1. On veut fabriquer un téléphone performant pesant moins de 270 g. Quels matériaux choisir pour chacun des composants ?

2. Quel est alors le prix du téléphone ? Pourquoi ce prix est-il beaucoup plus faible que le prix de vente final ?

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La Physique-Chimie au quotidien
Esprit scientifique

Quels sont les métaux utilisés dans nos petites pièces de monnaie ?

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Pièces (centimes)1 centime2 centimes5 centimes
Métaux présentsFer, CuivreFer, CuivreFer, Cuivre


MétalFerCuivre
Masse volumique du métal pur, à 20°C7,87 g/mL8,96 g/mL
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Matériel

  • Un aimant.
  • 22 pièces de 2 centimes d'euros.
  • Une balance de cuisine précise au gramme.
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Explication scientifique

Le métal rouge à la surface des pièces est le cuivre. Ces pièces sont attirées par l'aimant, preuve qu'elles contiennent du fer. Cependant, leur masse volumique est de 65 g pour 10 mL soit 6,5 g/mL : c'est plus faible que les masses volumiques du cuivre et du fer. Un troisième composant les rend moins denses : le carbone. Ces pièces de 2 centimes sont en acier (alliage fer-carbone) recouvertes de cuivre.
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Questions

Étapes de la fabrication :

Observe si ces pièces sont attirées par l'aimant. Les 22 pièces de 2 centimes ont un volume total d'environ 10 mL. Pèse-les.

Des questions à se poser :

1. Quel est le métal à la surface des pièces de 5 centimes d'euros ?

2. Ces pièces contiennent-elles du fer ?

3. Que vaut la masse volumique des pièces de 2 centimes d'euros en g/mL ?

4. Ces pièces ne contiennent-elles que du fer et du cuivre ?
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