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Science Tech au secondaire

Module 1

L’organisation de la matière 1 Les atomes 2 Les éléments et le tableau périodique des éléments 3 Les molécules

Module 2

Les transformations de la matière 1 Les changements physiques 2 Les changements chimiques 3 La conservation de la matière

Module 3

Le maintien de la vie 1 La cellule, l’unité de base de la vie 2 Les intrants et les extrants chez les organismes vivants 3 L’osmose et la diffusion 4 La photosynthèse et la respiration cellulaire

Module 4

La reproduction chez l’être humain 1 Le noyau, les chromosomes et les gènes 2 Les gamètes et la fécondation 3 Les organes reproducteurs 4 La fécondation 5 La grossesse et les stades de développement humain 6 La contraception 7 Les infections transmissibles sexuellement et par le sang (ITSS)

2


Module 5

Les ressources de la lithosphère 1 Les roches 2 Les minéraux 3 Le sol

Module 6

Les ressources énergétiques 1 L’énergie 2 Les ressources naturelles énergétiques renouvelables 3 Les ressources naturelles énergétiques non renouvelables

Module 7

Les phénomènes astronomiques 1 La gravitation universelle 2 Le système solaire 3 La Lune 4 Les éclipses 5 Les aurores polaires 6 Les impacts météoritiques

Module 8

Les systèmes technologiques 1 Les systèmes technologiques 2 Les fonctions mécaniques élémentaires 3 Les mécanismes de transmission de mouvement 4 Les mécanismes de transformation de mouvement

3


« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. » Antoine Laurent de Lavoisier (1745-1794), premier scientifique à énoncer la loi de la conservation de la matière.


Module 2

Les transformations de la matière

Dans l’univers, la matière se modifie constamment. L’être humain effectue certaines transformations (couper du bois, cuire des aliments, fondre des métaux, etc.). Dans d’autres cas, ces transformations ont lieu dans la nature (les feuilles des arbres prennent d’autres couleurs à l’automne, des branches d’arbres se décomposent, un ruisseau gèle en hiver, etc.). Les changements de la matière affectent-ils sa nature ? En existe-t-il plusieurs types ? Que se passe-t-il du point de vue moléculaire au moment de la transformation de la matière ? Le présent module est une invitation à plonger au cœur de la matière afin de comprendre comment elle se transforme. 23


Les premières utilisations du sel (assaisonnement et conservation des aliments) remontent à la préhistoire. MODULE 2 / Les transformations de la matière / Les changements physiques

1 Les changements physiques Parfois, au moment de sa transformation, la matière conserve ses propriétés caractéristiques, et sa nature reste inchangée, c’est-à-dire que ses molécules sont les mêmes avant et après la transformation. C’est le cas, par exemple, d’un cube de glace qui fond. L’eau sous forme solide (la glace) possède les mêmes propriétés et est constituée des mêmes molécules que l’eau sous forme liquide.

H O

O

O H

H O O

O

Cl Na Na

Na

Cl

Cl

DÉFINITION Changement physique : Transformation de la matière qui ne modifie ni les propriétés caractéristiques ni la nature d’une substance.

2.1  Les changements physiques L’eau, qu’elle soit à l’état solide ou liquide, possède les mêmes propriétés caractéristiques. C’est également le cas du sel de table. Peu importe la forme de cette substance (bloc, gros cristaux, petits cristaux), sa nature reste inchangée.

Une situation semblable se produit lorsqu’un cristal de sel de table est brisé en grains de sel. Le cristal de sel a les mêmes propriétés et est formé des mêmes molécules que les grains de sel. Ce type de changement porte le nom de changement physique. Il en existe plusieurs types : les mélanges, les changements d’état et les changements de forme.

© Éditions Grand Duc

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Au contact d’une surface à la température inférieure à celle de l’air, la vapeur d’eau qu’elle contient se condense et forme la buée. MODULE 2 / Les transformations de la matière / Les changements physiques

1.1 Les changements d’état La matière existe sous trois états différents : solide, liquide ou gazeux, et elle peut passer d’un état à un autre. Ce passage d’un état de la matière à un autre porte le nom de changement d’état. Il existe six changements d’état comme le montre la figure 2.2.

Passage de l’état gazeux à l’état liquide lorsque la température atteint le point de condensation.

Passage de l’état solide à l’état gazeux sans passer par la phase liquide.

Passage lent de l’état liquide à l’état gazeux lorsque la température est inférieure à la température d’ébullition.

Gaz Év

e olid

on

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o Vap

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Co

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ou

Sub

l

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ati

nsa

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apo

C onde

Passage de l’état gazeux à l’état solide sans passer par l’état liquide.

Éb

n

Solidification

Solide

Fusion

Passage de l’état liquide à l’état solide lorsque la température atteint le point de congélation. Cette température est la même que le point de fusion.

Passage rapide de l’état liquide à l’état gazeux lorsque la température atteint le point d’ébullition.

Liquide

Passage de l’état solide à l’état liquide lorsque la température atteint le point de fusion. 2.2 Une représentation illustrée des différents changements d’état

© Éditions Grand Duc

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Aux pôles de la planète Mars, on trouve des quantités importantes de glace sèche (du gaz carbonique à l’état solide). MODULE 2 / Les transformations de la matière / Les changements physiques

Les changements d’état de la matière sont réversibles, c’est-à-dire que la matière peut reprendre son état antérieur. Pour changer d’état, la matière doit absorber ou libérer de la chaleur. Certains changements ont lieu lorsque la température d’une substance augmente et d’autres, quand elle baisse (voir figure 2.3).

Absorption de chaleur

Libération de chaleur

• Fusion • Vaporisation • Sublimation

• Solidification • Condensation liquide ou liquéfaction • Condensation solide

2.3 L’absorption et la libération de chaleur lors des changements d’état Les changements d’état dépendent des variations de température de la matière.

2.5  La sublimation de la glace sèche La glace sèche, du dioxyde de carbone à l’état solide, se sublime à -78,5 °C. Ce phénomène s’observe bien lorsque la glace sèche est immergée dans l’eau.

2.4  Des changements réversibles La cire d’une bougie fond tout près de la mèche allumée. Une fois celle-ci éteinte, la cire éloignée de la source de chaleur se solidifie pour reprendre son état original.

© Éditions Grand Duc

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Plusieurs sciences, dont la chimie, la physique, la mathématique et la biologie, utilisent la représentation graphique afin de montrer des situations de façon visuelle. MODULE 2 / Les transformations de la matière / Les changements physiques

Les variations de température pendant les changements d’état La matière doit subir ou libérer suffisamment de chaleur (énergie) pour qu’il y ait changement d’état. Toutefois, pendant certains changements, de nombreuses substances restent à température constante tant que le changement n’est pas complètement effectué. C’est notamment le cas des substances pures (voir figure 2.6).

2.6  Les changements d’état de l’eau 1. La température de la glace se situe en dessous de 0 °C. 2. Quand on fait chauffer la glace, sa température augmente. 3. Lorsque la glace atteint son point de fusion (0 °C), elle fond. Durant ce changement d’état, la température est constante, car toute la chaleur sert à faire fondre la glace. 4. Une fois toute la glace fondue, la température de l’eau s’élève. 5. Lorsque l’eau atteint son point d’ébullition (100 °C), elle se vaporise. Durant ce changement d’état, la température est constante, car toute la chaleur sert à faire vaporiser l’eau. 6. Une fois toute l’eau vaporisée, la température de la vapeur d’eau augmente.

On peut regrouper dans un graphique les données obtenues (la température en fonction du temps) pendant les différents changements d’état de l’eau (voir figure 2.7). Cet outil est couramment utilisé en science pour représenter une situation de façon visuelle.

Température Vaporisation

État gazeux

100 °C Fusion

État liquide

0 °C

-100 °C

État solide Temps

2.7  Le graphique des changements d’état de l’eau Le graphique des changements d’état de l’eau permet de visualiser les différentes variations de température de cette substance pendant ses transformations. Sur ce type de graphique, les parties horizontales de la courbe portent le nom de paliers. Les paliers correspondent aux changements d’état : la température y est constante.

© Éditions Grand Duc

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Certains organismes vivants ont aussi la capacité de changer de forme. C’est notamment le cas des Tetraodontidés (poissons-ballons), capables de gonfler. MODULE 2 / Les transformations de la matière / Les changements physiques

1.2 Les changements de forme

DÉFINITION Changement de forme :

En plus de subir des changements d’état, la matière Changement qui modifie l’aspect subit parfois des changements de forme. Ces derniers physique d’une substance mais pas ses propriétés caractéristiques modifient l’aspect physique d’une substance mais pas ni sa nature. ses propriétés caractéristiques ni sa nature. Il existe plusieurs types de changements de forme. Le tableau 2.8 en présente quelques-uns. 2.8  Quelques exemples de changements de forme CHANGEMENT DE FORME

EXPLICATION

EXEMPLE

Pliage

Consiste à courber un matériau pour lui donner un angle déterminé.

Plier des journaux.

Découpage

Consiste à tailler un matériau.

Découper un morceau de tissu.

Moulage

Consiste à utiliser un objet creux pour y placer une matière et lui donner une forme particulière.

Verser du chocolat fondu dans un moule.

Déchiquetage

Consiste à mettre en pièces ou à lacérer un matériau.

Faire passer du papier dans une déchiqueteuse.

Laminage

Consiste à réduire l’épaisseur d’un matériau.

Laminer des feuilles d’aluminium.

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MODULE 2 / Les transformations de la matière / Les changements physiques

EXERCICES 1 Explique dans tes mots ce qu’est un changement physique.

2 Deux types de changements physiques ont été abordés dans ce module. Nomme-les.

3 a) Qu’est-ce qui permet les changements d’état de la matière ?

b) Ces changements sont-ils réversibles ? Explique ta réponse à l’aide d’un exemple.

c) Nomme les différents changements d’état.

4 Je suis un changement d’état. Qui suis-je ? Je suis le changement d’état inverse de la fusion. Je suis le changement d’état inverse de la vaporisation. Je suis le changement d’état inverse de la condensation solide. Je suis le changement d’état inverse de la sublimation. Je suis le changement d’état inverse de la solidification.

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MODULE 2 / Les transformations de la matière / Les changements physiques

EXERCICES (suite) 5 Qu’est-ce qu’un changement de forme ?

6 Vrai ou faux ? A Les changements de forme modifient la nature d’une substance.

b L a matière ne peut pas reprendre son état antérieur après un changement de forme.

c C ertains organismes vivants peuvent changer de forme.

d Le déchiquetage est un changement de forme.

7 Quels sont les changements de forme représentés sur les images ci-dessous ? a

c

b

d

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La chimie est une science qui étudie, entre autres, les changements qui affectent la nature et les propriétés des substances. MODULE 2 / Les transformations de la matière / Les changements chimiques

2 Les changements chimiques La matière subit parfois des transformations qui modifient sa nature et ses propriétés caractéristiques. On les appelle alors des changements chimiques (voir figure 2.9). Pendant un tel changement, les molécules présentes dans la matière sont différentes avant et après la transformation. Les liens chimiques entre les molécules ayant été brisés, les atomes se sont réarrangés afin de former de nouvelles substances qui possèdent aussi de nouvelles propriétés caractéristiques.

2.9  La cuisson des aliments Durant la cuisson, les molécules des aliments sont transformées en d’autres types de molécules. Cette transformation est un changement chimique.

Ce type de changement est en général non réversible. Le tableau 2.10 montre un exemple de changement chimique où une molécule de dioxygène réagit avec deux molécules de dihydrogène pour former deux molécules d’eau. DIOXYGÈNE

O

DÉFINITION Changement chimique : Transformation de la matière qui modifie sa nature et ses propriétés caractéristiques.

2.10  Un exemple de changement chimique

DIHYDROGÈNE

O

+

  

Propriétés du dioxygène • Gazeux • Essentiel à la respiration • Température de fusion : -219,0 °C • Température d’ébullition : • -183,0 °C

© Éditions Grand Duc

H

H

H

H

EAU

=   

Propriétés du dihydrogène • Gazeux • Explosif au contact d’une source de chaleur • Température de fusion : -259,1 °C • Température d’ébullition  : -252,8 °C

31

H

H

O

O

H

H

Propriétés de l’eau • Liquide • Essentielle à la survie des êtres vivants • Température de fusion : 0,0 °C • Température d’ébullition  : 100,0 °C


La bioluminescence est un phénomène causé par une réaction chimique qui permet à un organisme vivant de produire de la lumière. MODULE 2 / Les transformations de la matière / Les changements chimiques

2.1 Des indices de changements chimiques 2.11  Les principaux indices permettant de reconnaître les changements chimiques. CHANGEMENT DE COULEUR

Le papier indicateur de pH devient bleu au contact d’une substance basique.

La carrosserie d’une automobile s’oxyde et devient orangée.

Le papier noircit en brûlant.

DÉGAGEMENT D’UN GAZ

Une tarte qui cuit au four a une odeur sucrée.

Un médicament antiacide produit un gaz au contact de l’eau.

Une allumette que l’on éteint dégage de la fumée.

ÉMISSION DE LUMIÈRE

Un feu d’artifice émet de la lumière en brûlant.

Un feu émet de la lumière.

Une méduse émet de la lumière.

PRODUCTION DE CHALEUR

La combustion du propane dégage de la chaleur.

La décomposition de matière organique (compostage) produit de la chaleur.

FORMATION D’UN PRÉCIPITÉ

Une substance solide apparaît au cours du mélange de deux liquides.

© Éditions Grand Duc

32

La combustion de l’essence par une voiture dégage de la chaleur.


La photosynthèse est la réaction chimique à la base de la chaîne alimentaire. MODULE 2 / Les transformations de la matière / Les changements chimiques

2.2 Les différents types de changements chimiques Un changement chimique s’appelle aussi une réaction chimique. Il existe un nombre pratiquement infini de réactions chimiques. Le tableau ci-dessous en présente quelques-unes. 2.12  Quelques exemples de réactions chimiques RÉACTION CHIMIQUE

EXPLICATION

INDICES DE RÉACTIONS CHIMIQUES

Respiration cellulaire

À quelques exceptions près, tous les êtres vivants ont besoin d’oxygène pour survivre. La respiration cellulaire fournit aux cellules l’énergie nécessaire à leur bon fonctionnement.

• Dégagement de gaz • Production de chaleur

Photosynthèse

Elle permet aux plantes de produire leur propre nourriture.

• Dégagement de gaz • Production de chaleur

Oxydation

C’est une réaction chimique qui peut s’effectuer au contact de l’oxygène de l’air.

• Changement de couleur

Combustion

Un combustible brûle en présence d’oxygène.

• • • •

Coagulation du lait dans le yogourt et les fromages

La coagulation du lait est provoquée par une dénaturation des protéines qui le composent.

• Formation d’un précipité • Dégagement d’un gaz

© Éditions Grand Duc

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Dégagement de chaleur Émission de lumière Dégagement d’un gaz Changement de couleur


MODULE 2 / Les transformations de la matière / Les changements chimiques

EXERCICES 1 Qu’est-ce qu’un changement chimique ?

2 Vrai ou faux ? A Les changements chimiques sont des changements réversibles.

B Au cours d’un changement chimique, la nature des substances est modifiée.

C Au cours d’un changement chimique, les molécules présentes dans la matière sont les mêmes avant et après la transformation.

D Les substances impliquées dans un changement chimique perdent leurs propriétés.

3 Nomme les différents indices de changements chimiques.

4 Quand on mélange du jus de raisin avec de l’eau, la couleur pâlit.

Selon toi, ce changement de couleur est-il un indice d’un changement chimique ?

5 a) Observe la figure ci-contre et indique ce qu’elle représente.

b) De quel type de changement de la matière s’agit-il ? Explique ta réponse.

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Antoine Laurent de Lavoisier (1745-1794) a été le premier scientifique à énoncer la loi de la conservation de la matière. MODULE 2 / Les transformations de la matière / La conservation de la matière

3 La conservation de la matière Que la matière subisse des changements physiques ou chimiques, elle se conserve en tout temps. Comme le disait si bien Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. » Autrement dit, dans tous les changements physiques ou chimiques, la masse des substances et le nombre d’éléments de chaque espèce chimique se conservent, donc le nombre d’atomes aussi. La figure 2.13 présente les principaux éléments de la loi de la conservation de la matière.

Conservation de la masse La masse des substances présentes avant le changement de la matière est la même que celle des substances présentes après le changement. Conservation du nombre d’atomes Le nombre d’atomes des différents éléments est le même avant et après le changement de la matière.

DÉFINITION Loi de la conservation de la matière : Loi qui stipule que dans tous les changements physiques ou chimiques, la masse des substances et le nombre d’atomes se conservent.

Conservation de la nature des atomes Un élément ne change pas au cours d’un changement de la matière. 2.13  La loi de la conservation de la matière

Défi On fait fondre 34 g de glace. Quelle sera la masse de l’eau liquide une fois toute la glace fondue ?

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MODULE 2 / Les transformations de la matière / La conservation de la matière

EXERCICES 1 Tu places 2 kg d’eau dans un contenant ouvert que tu ranges au congélateur.

a) Après quelques heures, que constates-tu ?

b) Quelle est la masse de la glace ? Explique ta réponse.

c) T u laisses le récipient quelques semaines dans le congélateur sans y toucher. La masse de la glace sera-t-elle la même deux mois plus tard ? Explique ta réponse.

d) T u sors la glace du congélateur et tu la laisses fondre à la température de la pièce pendant une heure. La masse de l’eau sera-t-elle la même que celle de la glace ?

2 Selon la loi de la conservation de la matière, la masse des substances se conserve en tout temps au cours d’un changement chimique. Pourquoi, lorsque l’on fait brûler du bois, la masse de la cendre obtenue est-elle inférieure à la masse initiale du bois ? Explique ta réponse.

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MODULE 2 / Les transformations de la matière / La conservation de la matière

EXERCICES (suite) 3 Vrai ou faux ? A La loi de la conservation de la matière s’applique autant aux changements physiques qu’aux changements chimiques.

B Au cours de la combustion, la masse des substances produites est toujours inférieure à la masse des substances de départ, car, au moment de la réaction, une certaine quantité de matière se dégage sous forme de gaz.

C Selon la loi de la conservation de la matière, la masse ne se conserve pas pendant les changements chimiques ou physiques.

D Il peut arriver que de la matière soit créée ou détruite et non transformée.

4 Si l’on mélange 20 g d’eau et 25 g de glace. Quelle sera la masse totale du mélange ?

5 On fait réagir une substance A avec une substance B afin de former

une substance C. La masse de la substance B est de 23 g, tandis que la masse de la substance C est de 44 g. a) Y a-t-il un changement chimique ? Explique ta réponse.

b) Q uelle est la masse de la substance A ? Laisse une trace de ta démarche.

6 La loi de la conservation de la matière est-elle vérifiée par la réaction chimique suivante ? Explique ta réponse.

2H 2 + O2 = 2H 2O

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