Qu’est-ce que la matière ?

Sur la Lune, une astronaute pèse six fois moins que sur Terre, mais sa masse ne change pas.

Pour les chimistes, la matière se définit en quelques mots : tout ce qui occupe un espace et possède une masse. Une brique est de la matière, tout comme l’eau dans un verre. L’air aussi, même s’il est invisible. Souffle dans un ballon : il se gonfle, car l’air que tu y introduis occupe de la place. La lumière, le son et la chaleur ne sont pas de la matière. Ils transportent de l’énergie, mais n’ont pas de masse propre et ne remplissent pas un récipient.

La masse n’est pas le poids

La masse mesure la quantité de matière d’un objet. On peut la déterminer avec une balance, en comparant l’objet à des masses étalons, ou à partir de la force nécessaire pour l’accélérer : il faut pousser bien plus fort une voiture qu’un vélo. Le poids est la force d’attraction gravitationnelle exercée sur cette masse. Il est proportionnel à la masse, mais dépend du lieu. La gravité lunaire vaut environ le sixième de la gravité terrestre : une astronaute y pèse donc environ six fois moins. Sa masse, la quantité de matière qui la constitue, reste exactement la même. En orbite, elle peut se sentir en apesanteur, mais elle ne perd jamais sa masse.

Trois états au quotidien

Sur Terre, la matière se présente généralement sous trois états. Un solide est rigide et conserve sa forme : une cuillère reste une cuillère, dans un tiroir comme dans une tasse. Un liquide s’écoule et prend la forme de son récipient, mais la gravité lui donne une surface supérieure plane. En orbite, l’eau et le vaisseau tombent librement ensemble : rien n’aplatit l’eau, et une goutte prend une forme sphérique. Un gaz remplit tout son récipient, dont il prend la forme et le volume. En comprimant un solide ou un liquide, on modifie à peine son volume ; un gaz, lui, se comprime beaucoup.

Il existe un quatrième état, rare sur Terre mais courant dans l’Univers. Un plasma est un gaz dont de nombreuses particules portent une charge électrique. Les étoiles en sont constituées ; on en trouve aussi dans les éclairs, les torches de découpe au plasma et certains anciens téléviseurs. Certaines matières semblent relever de plusieurs états. Le sable coule comme un liquide, mais chaque grain est solide. Un nuage dérive comme un gaz, mais il est constitué d’air mêlé à de minuscules gouttelettes d’eau liquide ou à des cristaux de glace.

La matière ne disparaît pas quand elle se transforme

Quand la glace fond ou que l’eau bout, la substance n’apparaît pas et ne disparaît pas. La quantité totale de matière reste la même lors d’un changement d’état comme lors d’une réaction chimique. C’est la loi de conservation de la matière. Au quotidien, c’est difficile à observer, car certains produits s’échappent souvent sous forme de gaz. Dans un récipient fermé, pourtant, la balance n’indique aucun changement. Une bouilloire semble perdre de l’eau en bouillant ; cette eau est toujours là, dispersée dans la cuisine sous forme de vapeur.

Le modèle de ce cours explique ces phénomènes à l’aide de particules : des atomes ou des molécules en mouvement permanent. Dans un solide, elles occupent des positions fixes et ne peuvent que vibrer. Dans un liquide, elles restent en contact, mais glissent les unes par rapport aux autres. Dans un gaz, elles sont éloignées et se déplacent en ligne droite jusqu’à une collision. La température renseigne sur leur mouvement. La théorie cinétique moléculaire le précise : l’énergie cinétique moyenne des particules est proportionnelle à la température mesurée en kelvins.