Autour de nous, chaque objet technique (une chaise, un vélo, un téléphone) est fabriqué à partir d’un ou plusieurs matériaux choisis pour leurs propriétés. Savoir reconnaître un matériau et prévoir son comportement est indispensable pour comprendre les objets qui nous entourent. Dans cette leçon, nous découvrons les grandes familles de matériaux, leurs propriétés physiques et une méthode simple pour identifier une matière plastique.
I. Objet technique et matériau
Un objet technique est un objet fabriqué par l’homme pour répondre à un besoin (exemples : une casserole, une fenêtre, un stylo). Chaque objet technique est constitué d’une ou plusieurs pièces, et chaque pièce est réalisée dans un matériau.
Un matériau est une matière première utilisée pour fabriquer un objet ou une partie d’objet. Par exemple, une casserole peut associer un matériau métallique (le corps, pour la conduction de la chaleur) et un matériau plastique (le manche, isolant et agréable au toucher).
Le choix d’un matériau dépend toujours de ses propriétés (mécaniques, thermiques, électriques, chimiques) et de son coût.
II. Les grandes familles de matériaux
On distingue généralement quatre grandes familles de matériaux :
1. Les métaux : fer, aluminium, cuivre, acier (alliage de fer et de carbone), laiton (alliage de cuivre et de zinc)… Ils sont en général bons conducteurs de la chaleur et de l’électricité, résistants et malléables.
2. Le verre : matériau minéral, dur mais fragile (cassant), transparent, isolant électrique et mauvais conducteur de la chaleur. Il résiste bien à la corrosion.
3. Les matières plastiques : polyéthylène (PE), polychlorure de vinyle (PVC), polypropylène (PP)… Ce sont des matériaux légers, isolants électriques et thermiques, faciles à mettre en forme, mais qui se déforment ou fondent sous l’effet de la chaleur.
4. Les matériaux naturels et céramiques : bois, terre cuite, béton, pierre… utilisés notamment en construction pour leur résistance mécanique et leur faible coût.
III. Propriétés physiques des matériaux
Pour choisir un matériau adapté à un usage, on compare ses propriétés physiques :
• Conductivité thermique et électrique : capacité à conduire la chaleur ou le courant électrique. Les métaux sont de bons conducteurs ; le verre et les plastiques sont isolants.
• Résistance mécanique et dureté : capacité à résister à une déformation, une rupture ou une rayure. Les métaux et les céramiques sont durs ; les plastiques sont plus souples.
• Réactivité chimique : certains métaux (comme le fer) réagissent avec le dioxygène de l’air et l’humidité pour former de la rouille (corrosion) ; d’autres matériaux comme le verre ou les plastiques résistent mieux à la corrosion.
• Transparence / opacité : le verre et certains plastiques sont transparents, ce qui les rend utiles pour les vitres et les emballages ; les métaux sont opaques.
IV. La masse volumique, une grandeur caractéristique
La masse volumique d’un matériau, notée ρ (lettre grecque « rhô »), est le quotient de sa masse m par son volume V :
ρ = m / V
Avec m en kilogramme (kg) ou en gramme (g), V en mètre cube (m³) ou en centimètre cube (cm³), et ρ en kg/m³ ou en g/cm³.
Chaque matériau possède une masse volumique caractéristique. Par exemple, le fer a une masse volumique ρ = 7,87 g/cm³ et une température de fusion T = 1535 °C. La masse volumique permet donc, en mesurant la masse et le volume d’un échantillon, d’identifier le matériau dont il est fait ou de vérifier sa pureté.
V. Identifier une matière plastique
Il existe plusieurs matières plastiques (PE, PVC, PP, PS…) qu’on ne peut pas toujours distinguer à l’œil nu. Trois tests simples permettent de les différencier :
1. Test de flottaison : on plonge un morceau de plastique dans l’eau. S’il flotte, sa masse volumique est inférieure à celle de l’eau (1 g/cm³) ; s’il coule, elle lui est supérieure. Ce test permet de séparer les plastiques en deux groupes.
2. Test de solubilité dans l’acétone : certains plastiques se ramollissent ou se dissolvent au contact de l’acétone, d’autres restent inchangés. La réaction (ou l’absence de réaction) oriente vers un type de plastique.
3. Test de combustion : on approche prudemment un petit morceau de plastique d’une flamme et on observe la couleur de la flamme, la présence de fumée, l’odeur dégagée et l’aspect du résidu (goutte, cendre…). Chaque type de plastique a un comportement caractéristique à la combustion.
En combinant ces trois tests, on peut identifier avec une bonne fiabilité la nature d’un échantillon de matière plastique.
Exercice d’application
1. Donner la définition d’un matériau et citer un exemple d’objet technique fait de deux matériaux différents.
2. Citer les quatre grandes familles de matériaux et donner un exemple pour chacune.
3. Un fabricant hésite entre le métal et le plastique pour réaliser le manche isolant d’une casserole. Quel matériau doit-il choisir et pourquoi ?
4. Un échantillon de métal a une masse m = 39,35 g et un volume V = 5 cm³. Calculer sa masse volumique ρ. En déduire, sachant que ρ(fer) = 7,87 g/cm³, si cet échantillon peut être du fer.
5. On plonge un morceau de plastique dans l’eau : il coule. Que peut-on dire de sa masse volumique par rapport à celle de l’eau ? Quel autre test peut-on réaliser pour préciser sa nature ?
Corrigés
1. Un matériau est une matière première utilisée pour fabriquer un objet ou une partie d’objet. Exemple : une casserole associe un matériau métallique (le corps) et un matériau plastique (le manche).
2. Les métaux (exemple : l’aluminium), le verre (exemple : une vitre), les matières plastiques (exemple : le polyéthylène d’un sac) et les matériaux naturels/céramiques (exemple : le bois).
3. Il doit choisir le plastique, car il est isolant thermique (il ne chauffe pas), contrairement au métal qui est un bon conducteur de la chaleur et brûlerait la main.
4. ρ = m / V = 39,35 / 5 = 7,87 g/cm³. Cette valeur est égale à la masse volumique du fer (7,87 g/cm³) : l’échantillon peut donc être du fer.
5. Sa masse volumique est supérieure à celle de l’eau (1 g/cm³). On peut réaliser un test de solubilité dans l’acétone et/ou un test de combustion pour préciser la nature exacte du plastique.
