La balance et l'éprouvette : peser, mesurer un volume et traquer la masse qui ne disparaît jamais

Tu prépares un gâteau. La recette dit « 200 g de farine » et « 25 cL de lait ». Pour la farine, tu utilises la balance de cuisine ; pour le lait, le verre doseur. Sans le savoir, tu viens de mesurer deux grandeurs différentes, une masse et un volume, avec deux instruments adaptés. Ce cours va te rendre précis comme un chimiste, et il te révélera un secret bien gardé : quand un glaçon fond ou que du sucre se dissout, rien ne se perd.

La masse : combien de matière ?

La masse d'un objet mesure la quantité de matière qu'il contient. Son unité officielle est le kilogramme (kg), mais au collège on utilise souvent le gramme (g) : 1 kg = 1 000 g. On la mesure avec une balance.

Au laboratoire, on utilise une balance électronique. Mode d'emploi en trois gestes :

1. Poser le récipient vide sur le plateau.
2. Appuyer sur « tare » : l'affichage revient à 0 g. La balance « oublie » le récipient.
3. Verser la substance : l'affichage indique sa masse seule.

Sans la tare, il faut faire une soustraction : masse du récipient plein − masse du récipient vide.

Exemple travaillé : un bécher vide pèse 112 g. Avec de l'eau, la balance affiche 262 g. Masse de l'eau : 262 − 112 = 150 g.

Attention à ne pas confondre masse et poids : la masse ne change pas si tu vas sur la Lune, elle dépend seulement de la matière de l'objet. Tu reverras cela plus tard.

Le volume : combien de place ?

Le volume mesure la place occupée par un corps. Son unité officielle est le mètre cube (m³), mais pour les liquides on utilise le litre (L) et ses sous-multiples : le centilitre (cL) et le millilitre (mL).

À connaître par cœur :

• 1 L = 100 cL = 1 000 mL
• 1 L = 1 dm³ (un cube de 10 cm de côté)
• 1 mL = 1 cm³ (un petit cube de 1 cm de côté)

Pour mesurer un volume de liquide, le chimiste utilise une éprouvette graduée. Trois règles pour bien lire :

1. Poser l'éprouvette sur une surface horizontale.
2. Placer son œil au niveau de la surface du liquide (ni au-dessus, ni au-dessous, sinon la lecture est faussée).
3. Lire au bas du ménisque : la surface de l'eau est légèrement courbée vers le haut sur les bords ; on lit la graduation qui touche le bas de cette courbe.

Il faut aussi vérifier la valeur d'une graduation. Si entre 20 mL et 30 mL il y a 5 intervalles, chaque trait vaut 10 ÷ 5 = 2 mL.

Exemple travaillé : le volume d'un caillou. Comment mesurer le volume d'un solide biscornu ? Par déplacement d'eau. On verse 50 mL d'eau dans l'éprouvette. On plonge doucement le caillou : le niveau monte à 68 mL. Le volume du caillou est 68 − 50 = 18 mL, soit 18 cm³. Le caillou a « poussé » exactement son propre volume d'eau.

Pour un solide régulier, on peut aussi calculer. Un pavé de 5 cm × 4 cm × 2 cm a un volume de 5 × 4 × 2 = 40 cm³ = 40 mL.

La masse se conserve : la preuve par l'expérience

Voici la grande idée du cours. On va vérifier que la masse ne change pas lors d'un changement d'état ou d'une dissolution.

Expérience 1 : le glaçon qui fond. On pose un verre contenant un glaçon sur la balance : 180 g. On attend que le glaçon fonde complètement. La balance affiche toujours 180 g. La glace est devenue liquide, mais la quantité de matière est la même. Si le verre était ouvert et que l'on attendait des heures, la masse baisserait un peu : non pas parce que la matière disparaît, mais parce qu'une partie de l'eau s'évapore dans l'air de la pièce. C'est pour cela que, pour une mesure sérieuse, on ferme le récipient.

Expérience 2 : la dissolution du sucre. Sur la balance, un verre avec 200 g d'eau et, à côté, 20 g de sucre : total 220 g. On verse le sucre dans l'eau et on remue jusqu'à ce qu'il disparaisse. La balance affiche 220 g. Le sucre n'a pas disparu : il est dissous, ses particules sont réparties dans l'eau. La masse de la solution = masse de l'eau + masse du sucre.

Cette règle s'appelle la conservation de la masse. Elle est vraie pour tous les changements d'état et toutes les dissolutions. Mais attention au volume, lui, ne se conserve pas forcément !

Exemple travaillé : le volume qui triche. Si tu mélanges 50 mL d'eau et 50 mL d'alcool à 90°, tu obtiens environ 97 mL, pas 100. Les particules d'alcool se glissent entre celles de l'eau. Et quand l'eau gèle, son volume augmente d'environ 9 % : c'est pour cela qu'une bouteille pleine oubliée au congélateur éclate. La masse, elle, reste exactement la même.

À retenir

• La masse (en g ou kg) se mesure avec une balance ; la touche « tare » remet à zéro pour oublier le récipient.
• Le volume (en L, cL, mL, ou cm³) se mesure avec une éprouvette graduée, œil au niveau du liquide, lecture au bas du ménisque.
• 1 L = 1 000 mL et 1 mL = 1 cm³ ; le volume d'un solide quelconque se mesure par déplacement d'eau.
• Lors d'un changement d'état ou d'une dissolution, la masse se conserve : rien ne se perd, rien ne se crée.
• Le volume, lui, peut changer (l'eau qui gèle prend plus de place).

★ Pour aller plus loin

Le kilogramme a longtemps été défini par un cylindre de platine conservé sous cloche près de Paris, le « Grand K ». Problème : en un siècle, il avait perdu quelques millionièmes de gramme, sans qu'on sache pourquoi. Depuis 2019, le kilogramme est défini à partir d'une constante de la physique, et plus aucun objet ne sert de référence.

Les chimistes font le lien entre masse et volume grâce à la masse volumique : la masse d'un centimètre cube de matière. Pour l'eau, c'est 1 g par cm³ (c'est même ainsi que le gramme a été défini à l'origine). Pour le fer, c'est 7,9 g par cm³. Pour la glace, 0,92 g par cm³ : voilà pourquoi les glaçons flottent. Tu étudieras cette grandeur en Quatrième.

Le principe de conservation de la masse a été énoncé avec précision au XVIIIe siècle par Antoine Lavoisier, qui pesait tout avec des balances ultra-précises pour l'époque. Sa formule célèbre « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » vaut aussi pour les transformations chimiques, que tu verras au cours n°8.

Sources pour creuser

• Livre : Le grand livre des expériences de Nathalie Tordjman (Milan Jeunesse) pour des mesures et pesées à refaire chez soi.
• Livre : Lavoisier, chimiste dans la collection « Des hommes et des sciences » (chercher ce nom en bibliothèque).
• YouTube : chaîne « C'est pas sorcier », émission « Mesures et démesure » (le système métrique et le kilogramme).
• YouTube : chaîne « Physique-Chimie au collège », recherche « mesurer un volume avec une éprouvette graduée » et « conservation de la masse dissolution ».
• lumni.fr : Collège → Physique-Chimie → cinquième, « Masse et volume » et « La conservation de la masse ».