Définition et nuances de traitement
En science chimique, les substances sont définies comme des corps gazeux, liquides ou solides caractérisés par deux attributs fondamentaux : une composition chimique constante et des propriétés constantes. La forme externe de l'objet n'a aucune influence sur sa nature chimique.
L'interprétation de ce terme varie selon la discipline :
- En chimie : ce sont des structures dotées d'une composition et de propriétés invariables.
- En physique : ce sont tous les objets possédant une masse au repos (y compris les microparticules : électrons, protons et neutrons).
- Dans la vie courante : le mot est souvent employé comme un simple synonyme du terme « matériau ».
Substance, corps physique et matériau
Un matériau est ce qui compose un objet particulier. Il peut s'agir aussi bien d'une substance pure et homogène que d'un mélange (une composition). Pour distinguer une substance chimique d'un corps physique ou d'un mélange, il est essentiel de faire abstraction de la forme :
- Corps physiques : Il existe dans la nature des gisements de marbre dans lesquels sont taillées des sculptures. Si la statue venait à se briser, la sculpture entière et le tas de débris conserveraient des propriétés rigoureusement identiques. Le marbre est ici la substance, tandis que la sculpture est le corps physique.
- Mélanges hétérogènes : La céramique (tuiles, briques) observée à la loupe se compose de grains de sable liés par de l'argile. Il s'agit d'un corps hétérogène, et par conséquent, ce n'est pas une substance. En revanche, le sable et l'argile pris séparément sont des substances.
- Mélanges homogènes : L'eau salée ou les alliages métalliques ont un aspect homogène, mais leurs caractéristiques (la saveur de l'eau ou les propriétés du métal) dépendent de la concentration et de la proportion des composants. Les solutions et les alliages ne sont pas des substances pures, mais des mélanges.
Propriétés physiques
Les paramètres physiques sont propres au matériau lui-même et témoignent d'une propriété d'invariance (ils ne dépendent ni de la forme du récipient ni de l'apparence de l'objet). L'exemple le plus connu est l'eau :
- États d'agrégation : peut se présenter sous forme solide, liquide et gazeuse.
- Indicateurs organoleptiques : inodore, sans saveur, et incolore en fine couche.
- Constantes physico-chimiques : agit comme solvant pour de nombreuses substances, présente une densité d'environ $1 \text{ g/cm}^3$.
Phénomènes et transformations chimiques
La chimie s'intéresse principalement aux processus qui modifient les substances elles-mêmes. Lors de l'interaction de réactifs ou d'un changement brusque de l'environnement, les substances initiales disparaissent au profit de nouvelles.
Exemples de phénomènes chimiques dans la nature et la vie quotidienne :
- Oxydation et corrosion : apparition d'une patine verte sur les monuments en bronze.
- Dégradation biochimique : pourriture du bois.
- Processus alimentaires : aigrissement du lait, fermentation de la pâte lors de l'ajout de levure (augmentation du volume), modification de l'odeur et de la couleur de la viande à la cuisson. Cela inclut également la dénaturation : le blanc d'œuf, transparent et visqueux, blanchit et devient ferme sous l'effet de la chaleur.
- Combustion : transformation du papier ou du bois en fumée et en cendres.
- Construction : lors du gâchage avec le ciment, l'eau disparaît en tant que substance libre pour faire partie intégrante d'un béton solide.
- Décomposition thermique : chauffé sur une plaque de cuisson, le sucre fond, puis brunit et libère des bulles de gaz pour se transformer en un charbon noir et poreux.
Démonstration en laboratoire : réaction d'échange d'ions
Le processus de transformation de composés en d'autres composés est clairement illustré par le mélange de solutions à 10 % de chlorure de calcium et de sulfate de sodium.
- Au départ, on mélange deux liquides transparents.
- Il se produit une période de latence : pendant environ 10 à 20 secondes, la solution ne présente aucun changement visuel.
- La réaction démarre : de petites particules solides apparaissent et se déposent au fond.
- Au bout de quelques minutes, un abondant précipité blanc et floconneux se forme.
Conclusion : Les deux réactifs initiaux ont donné naissance à deux nouvelles substances aux caractéristiques radicalement différentes. Du sel de cuisine (chlorure de sodium) est resté en solution, tandis que du gypse (sulfate de calcium) a précipité sous forme de cristaux présentant une morphologie aciculaire lorsqu'on les observe grossis 20 fois.
En bref : réponses aux questions sur le sujet
Quels niveaux de structure spatiale et quelles liaisons chimiques sont rompus lors de la dénaturation thermique d'une protéine ?
Lors de la dénaturation thermique d'une protéine, les structures secondaire, tertiaire et quaternaire sont détruites, tandis que la structure primaire demeure intacte. Des températures élevées provoquent la rupture des liaisons non covalentes faibles qui stabilisent la conformation de la molécule :
- Liaisons hydrogène — établies entre les atomes du squelette peptidique et les chaînes latérales des acides aminés.
- Liaisons ioniques — établies entre les groupements fonctionnels des chaînes latérales.
- Interactions hydrophobes — établies entre les zones non polaires.
Les liaisons peptidiques ne sont pas rompues sous l'effet de la chaleur.
Le sérum physiologique médical est-il une substance chimique pure ou un mélange ?
Le sérum physiologique médical n'est pas une substance chimique pure, mais un mélange homogène à composition variable. D'un point de vue chimique, seuls ses composants pris isolément sont des substances pures :
- L'eau — qui sert de solvant.
- Le chlorure de sodium (NaCl) — le soluté uniformément réparti.
Les propriétés des solutions dépendant de la concentration de leurs composants, elles relèvent des mélanges et non des substances chimiques individuelles.
Quels macro-éléments biogènes entrent dans la composition du gypse qui précipite ?
Le gypse (sulfate de calcium) qui précipite ne contient qu'un seul macro-élément biogène, à savoir l'oxygène. Les autres éléments chimiques qui constituent cette substance appartiennent à une autre catégorie :
- L'oxygène (O) — un macro-élément.
- Le calcium (Ca) — un oligo-élément.
- Le soufre (S) — un oligo-élément.
Par conséquent, bien que la formule du gypse contienne du soufre et du calcium, selon la classification des éléments en fonction de leur teneur cellulaire, le seul macro-élément parmi eux est l'oxygène.
Questions des cours et des examens
L'eau salée est-elle une substance ?
Non, l'eau salée est un mélange homogène. Ses propriétés sont variables et dépendent de la concentration du sel dissous, alors qu'une substance chimique pure possède toujours une composition fixe.
Quelle est la différence entre un corps physique et une substance ?
Une substance est un matériau aux propriétés constantes qui constitue un objet. Un corps physique est l'objet lui-même doté d'une forme spécifique (par exemple, le marbre est une substance, tandis que la statue sculptée dans ce marbre est un corps physique).
Que se passe-t-il pour une substance lors d'un phénomène chimique ?
Un phénomène chimique s'accompagne d'un réarrangement de la position relative et des liaisons des atomes. Les substances initiales cessent d'exister pour se transformer en de nouveaux composés aux propriétés différentes.
À étudier également sur le sujet
- Mécanismes de la dénaturation des protéines
- Processus d'oxydation et de corrosion des métaux
- Dégradation biochimique et putréfaction
- Décomposition thermique des composés organiques
- Réactions d'échange d'ions en solutions aqueuses
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