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La matière compose tout ce qui est visible dans l’univers connu, des porta-potties aux supernovas. Et parce que la matière n’est jamais créée ou détruite, elle parcourt notre monde. Des atomes qui étaient dans un dinosaure il y a des millions d’années — et dans une étoile il y a des milliards d’années auparavant — peuvent être en vous aujourd’hui.
La matière est tout ce qui a de la masse et prend de la place. Il comprend des molécules, des atomes, des particules fondamentales et toute substance que ces particules constituent. La matière peut changer de forme par des changements physiques et chimiques, mais par n’importe lequel de ces changements, la matière est conservée. La même quantité de matière existe avant et après le changement — aucune n’est créée ou détruite. Ce concept s’appelle la Loi de Conservation de la masse.
Lors d’un changement physique, les propriétés physiques d’une substance peuvent changer, mais pas sa composition chimique. L’eau, par exemple, est composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. L’eau est la seule substance connue sur Terre qui existe naturellement dans trois états: solide, liquide et gaz. Pour changer entre ces états, l’eau doit subir des changements physiques. Lorsque l’eau gèle, elle devient dure et moins dense, mais elle est toujours chimiquement la même. Il y a le même nombre de molécules d’eau présentes avant et après le changement, et les propriétés chimiques de l’eau restent constantes.
Pour former de l’eau, cependant, les atomes d’hydrogène et d’oxygène doivent subir des changements chimiques. Pour qu’un changement chimique se produise, les atomes doivent soit rompre les liaisons et / ou former des liaisons. L’addition ou la soustraction de liaisons atomiques modifie les propriétés chimiques des substances impliquées. L’hydrogène et l’oxygène sont tous deux diatomiques — ils existent naturellement sous forme de paires liées (H2 et O2, respectivement). Dans les bonnes conditions, et avec suffisamment d’énergie, ces liaisons diatomiques se briseront et les atomes se joindront pour former H2O (eau). Les chimistes écrivent cette réaction chimique comme suit:
2H2 + O2 → 2H2O
Cette équation dit qu’il faut deux molécules d’hydrogène et une molécule d’oxygène pour former deux molécules d’eau. Notez qu’il y a le même nombre d’atomes d’hydrogène et d’atomes d’oxygène de chaque côté de l’équation. Dans les changements chimiques, tout comme dans les changements physiques, la matière est conservée. La différence dans ce cas est que les substances avant et après le changement ont des propriétés physiques et chimiques différentes. L’hydrogène et l’oxygène sont des gaz à température et pression standard, tandis que l’eau est un liquide incolore et inodore.
Les écosystèmes ont de nombreux changements chimiques et physiques qui se produisent à la fois, et la matière est conservée dans chacun — sans exception. Considérez un ruisseau qui traverse un canyon — combien de changements chimiques et physiques se produisent à un moment donné?
D’abord, considérons l’eau. Pour de nombreux cours d’eau du canyon, l’eau provient d’altitudes plus élevées et prend naissance sous forme de neige. Bien sûr, ce n’est pas là que l’eau a commencé — elle a été parcourue partout dans le monde depuis que la Terre a eu de l’eau pour la première fois. Mais dans le contexte du ruisseau du canyon, cela a commencé dans les montagnes sous forme de neige. La neige doit subir un changement physique – la fonte – pour rejoindre le ruisseau. Lorsque l’eau liquide s’écoule dans le canyon, elle peut s’évaporer (un autre changement physique) en vapeur d’eau. L’eau donne un exemple très clair de la façon dont la matière circule dans notre monde, changeant fréquemment de forme mais ne disparaissant jamais.
Ensuite, considérez les plantes et les algues vivant dans et le long du ruisseau. Dans un processus appelé photosynthèse, ces organismes convertissent l’énergie lumineuse du soleil en énergie chimique stockée dans les sucres. Cependant, l’énergie lumineuse ne produit pas les atomes qui composent ces sucres — ce qui briserait la Loi de conservation de la masse — elle fournit simplement de l’énergie pour qu’un changement chimique se produise. Les atomes proviennent du dioxyde de carbone dans l’air et de l’eau dans le sol. L’énergie lumineuse permet à ces liaisons de se rompre et de se reformer pour produire du sucre et de l’oxygène, comme le montre l’équation chimique pour la photosynthèse:
6CO2 + 6H2O + lumière →C6H12O6 (sucre) + 6O2
Cette équation indique que six molécules de dioxyde de carbone se combinent avec six molécules d’eau pour former une molécule de sucre et six molécules d’oxygène. Si vous additionniez tous les atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène de chaque côté de l’équation, les sommes seraient égales; la matière est conservée dans ce changement chimique.
Lorsque les animaux dans et autour du ruisseau mangent ces plantes, leur corps utilise l’énergie chimique stockée pour alimenter leurs cellules et se déplacer. Ils utilisent les nutriments contenus dans leur nourriture pour se développer et réparer leur corps — les atomes des nouvelles cellules doivent provenir de quelque part. Toute nourriture qui pénètre dans le corps d’un animal doit soit quitter son corps, soit en faire partie; aucun atome n’est détruit ou créé.
La matière est également conservée lors des changements physiques et chimiques du cycle de la roche. Alors qu’un ruisseau s’enfonce plus profondément dans un canyon, les rochers du fond du canyon ne disparaissent pas. Ils sont érodés par le courant et emportés par de petits morceaux appelés sédiments. Ces sédiments peuvent se déposer au fond d’un lac ou d’un étang à la fin du cours d’eau, s’accumulant en couches au fil du temps. Le poids de chaque couche supplémentaire compacte les couches en dessous, ajoutant éventuellement tellement de pression que de nouvelles roches sédimentaires se forment. C’est un changement physique pour la roche, mais avec les bonnes conditions, la roche peut également changer chimiquement. Dans les deux cas, la matière dans la roche est conservée.
L’essentiel est: La matière parcourt l’univers sous de nombreuses formes différentes. Dans tout changement physique ou chimique, la matière n’apparaît ni ne disparaît. Les atomes créés dans les étoiles (il y a très, très longtemps) constituent chaque chose vivante et non vivante sur Terre — même vous. Il est impossible de savoir jusqu’où et à travers quelles formes vos atomes ont voyagé pour vous faire. Et il est impossible de savoir où ils finiront ensuite.
Ce n’est pas toute l’histoire de la matière, cependant, c’est l’histoire de la matière visible. Les scientifiques ont appris qu’environ 25% de la masse de l’univers est constituée de matière noire — matière qui ne peut pas être vue mais peut être détectée par ses effets gravitationnels. La nature exacte de la matière noire reste à déterminer. Un autre 70% de l’univers est une composante encore plus mystérieuse appelée énergie noire, qui agit contre la gravité. Ainsi, la matière ”normale » représente, au plus, cinq pour cent de l’univers.