Glace, eau, vapeur - trois formes différentes de la même molécule, H2O. Bien qu'elles aient la même formule chimique et soient composées exactement des mêmes éléments, ces trois espèces ont des structures, des forces intermoléculaires et des caractéristiques très différentes. Ce sont d'excellents exemples d'états de la matière.
- Cet article porte sur les états de la matière en chimie physique.
- Nous commencerons par définir les états de la matière avant d'examiner les trois principaux états de la matière : solide, liquide et gaz.
- Nous étudierons également les gaz parfaits et nous plongerons dans les plasmas.
- Ensuite, nous explorerons les changements d'état de la matière.
- Enfin, nous examinerons quelques exemples d'états de la matière.
Définition des états de la matière
Les états de la matière sont l'une des formes physiques distinctes sous lesquelles la matière peut exister.
En 1742, l'astronome suédois Anders Celsius a inventé un moyen de mesurer la température. Il a remarqué que le point de fusion de l'eau était presque entièrement indépendant de sa pression, et a étiqueté ce point comme 100 sur sa nouvelle échelle. En revanche, il a montré que le point d'ébullition de l'eau dépendait de sa pression et a indiqué que la température d'ébullition au niveau de la mer était égale à 0. Au cours des années suivantes, plusieurs scientifiques ont inversé son système jusqu'à ce que nous obtenions l'échelle familière que nous connaissons aujourd'hui : l'échelle Celsius. Désormais, 0 indique le point de fusion de l'eau tandis que 100 indique son point d'ébullition au niveau de la mer, et les unités sont appelées degrés Celsius, °C. Contrairement à d'autres échelles de température, comme l'échelle Fahrenheit, elle est basée sur des états de la matière définis et mesurables.
Il existe trois états principaux de la matière. Ils sont caractérisés par leur structure, la disposition des particules, les forces intermoléculaires et l'énergie relative, et peuvent être représentés par le modèle de particules, dans lequel les particules sont représentées par des sphères. Ces trois états sont :
Nous les examinerons tour à tour, en commençant par les solides.
Tu peux aussi entendre le terme "phase" lorsqu'on parle d'états de la matière. Bien que ces termes soient similaires, ils ont des significations légèrement différentes. Une phase est définie comme une région chimiquement distincte et physiquement uniforme d'une espèce. Cela signifie que chaque phase distincte a la même structure, la même densité, le même indice de réfraction et la même magnétisation. Les états de la matière sont tous des exemples de phases, mais tu peux obtenir différentes phases au sein d'un même état de la matière. Par exemple, la glace solide présente de nombreuses phases différentes, différenciées par leurs structures cristallines uniques.
État solide
Le premier état de la matière que nous allons explorer aujourd'hui est l'état solide. Dans les solides, les particules sont maintenues très étroitement ensemble selon un modèle régulier. Les forces intermoléculaires entre les particules sont très fortes et, pour cette raison, les particules ne peuvent pas se déplacer librement mais vibrent autour d'un point fixe. Cela signifie que les solides conservent une certaine forme et un certain volume, quel que soit leur contenant. Les particules ont également une faible énergie.
Fig.1 - La disposition des particules dans un solide.
Tu examineras différents types de solides dans l'article "Structures en réseaux". Tu pourras y comparer les structures de réseaux moléculaires, covalentes, ioniques et métalliques et leurs propriétés.
État liquide
Si tu chauffes un solide, il finit par se transformer en liquide. Dans les liquides, les particules sont disposées de manière aléatoire. Elles sont toujours étroitement maintenues ensemble par des forces intermoléculaires, mais ces forces sont partiellement surmontées et les particules peuvent donc se déplacer plus librement. Cela signifie que les liquides s'écoulent pour prendre la forme de leur récipient. Cependant, ils ont toujours un volume défini. Comme nous avons chauffé les particules, elles ont plus d'énergie que celles d'un solide.
Fig.2- La disposition des particules dans un liquide.
État gazeux
Le troisième état principal de la matière est le gaz. Il est produit lorsque tu chauffes un liquide à une température encore plus élevée. Dans les gaz, les particules sont disposées de façon aléatoire et sont très espacées les unes des autres. Il n'y a (presque) pas de forces intermoléculaires entre les particules, ce qui signifie qu'elles se déplacent librement dans toutes les directions à grande vitesse et qu'elles ont beaucoup d'énergie. Les gaz remplissent toujours leurs récipients et n'ont pas de volume fixe, mais ils peuvent être comprimés ou se dilater.
Fig.3 -La disposition des particules dans un gaz.
Les gaz parfaits
Un gaz parfait est un gaz théorique qui ne présente aucune force intermoléculaire ou interaction entre les molécules. Les molécules sont supposées être des particules sans volume, et aucune énergie cinétique n'est perdue lorsqu'elles entrent en collision.
Les gaz parfaits sont utiles car ils obéissent à une certaine loi reliant la pression (P), la température (T) et le volume (V), où PV = nRT.
Ici, n représente le nombre de moles du gaz, et R représente la constante universelle des gaz, une valeur égale à 8,134 J mol-1 K-1. Cette loi est connue sous le nom de loi des gaz parfaits et signifie qu'une mole de tout gaz idéal occupe le même volume à la même température et à la même pression. Bien qu'aucun gaz ne soit parfaitement idéal, de nombreux gaz en sont suffisamment proches pour que cette loi soit utilisée dans les calculs chimiques.
Les gaz qui ne se comportent pas tout à fait comme des gaz idéaux sont appelés gaz réels. Nous avons rédigé un article sur les gaz idéaux et réels qui devrait vous aider à les comparer. Pour plus d'informations, consulte l'article "Gaz parfaits et gaz réels". Et si tu veux t'essayer à des calculs impliquant la loi des gaz idéaux, consulte la rubrique "Loi des gaz parfaits" pour trouver de nombreux exemples concrets.
État de la matière : plasma
Il existe en fait un quatrième état de la matière, plus courant que tu ne le penses. En fait, il joue un rôle dans de nombreux objets et phénomènes quotidiens. Cet état est appelé plasma.
De la même manière que le chauffage d'un liquide le transforme en gaz, le chauffage d'un gaz le transforme en plasma. Le plasma peut également être créé à l'aide d'un laser, de micro-ondes ou d'un champ magnétique. Tout comme les gaz, les particules du plasma sont disposées de manière aléatoire et très dispersées. Elles n'ont pas de forme ou de volume fixe et se dilatent pour remplir leur contenant. Cependant, contrairement aux gaz, le plasma est constitué de particules chargées. Lorsque le gaz est chauffé à une température suffisamment élevée (ou que l'on applique l'une des autres méthodes de création du plasma), certaines des particules sont séparées en électrons chargés négativement et en ions chargés positivement. Ces électrons sont appelés électrons libres. Grâce à ces particules chargées, le plasma peut conduire l'électricité. Si seulement certaines des particules du plasma sont ionisées, on dit que le plasma est partiellement ionisé. Mais si toutes les particules sont ionisées, on dit que le plasma est totalement ionisé.
Fig.4 - La disposition des particules dans le plasma.
Tu trouveras du plasma dans les étoiles, les néons, les télévisions à plasma et les éclairs.
Comparaison des états de la matière
Pour t'aider à consolider ton apprentissage, nous avons créé un tableau pratique comparant les trois principaux états de la matière :
Fig.5- Un tableau comparant les trois principaux états de la matière.
Changement d'état de la matière
Maintenant que nous savons quels sont les différents états de la matière, examinons les changements d'états de la matière. Comme son nom l'indique, il s'agit de passer d'un état de la matière à un autre.
La chaleur et les changements d'état physique de la matière
Si tu chauffes un solide, sa température augmente. Cependant, à un moment donné, sa température cesse d'augmenter. Au contraire, le solide commence à fondre. L'énergie thermique fournie est utilisée pour augmenter l'énergie cinétique des particules et vaincre les forces intermoléculaires qui les maintiennent fermement ensemble. Ce point est appelé point de fusion de la substance.
Une fois que toute la substance a fondu, sa température augmente à nouveau. Mais comme précédemment, elle atteint un plateau à un certain point. La substance commence à bouillir. Une fois encore, l'énergie thermique fournie est utilisée pour augmenter encore l'énergie cinétique des particules et surmonter les forces intermoléculaires restantes entre elles. C'est ce que l'on appelle le point d'ébullition de la substance. Sa température reste la même jusqu'à ce que la substance se soit entièrement transformée en gaz ; ce n'est qu'alors qu'elle augmente à nouveau.
L'inverse est également vrai. Si tu prends un gaz et que tu le refroidis, il finit par se condenser en liquide. Si tu le refroidis encore plus, il gèle et devient un solide. Certains solides peuvent passer directement de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par l'état liquide. Ce phénomène est connu sous le nom de sublimation. Le processus inverse, qui consiste à passer d'un gaz à un solide, est connu sous le nom de déposition.
Voici un diagramme pratique qui te montre les noms des changements d'un état de la matière à un autre :
Fig.6- Les changements d'états de la matière.
Nous pouvons nous étendre sur ce sujet et parler des changements d'état lorsqu'il s'agit de plasma. Le passage d'un gaz à un plasma est connu sous le nom d'ionisation, tandis que le passage du plasma à un gaz est connu sous le nom de déionisation ou de recombinaison.
Exemple de changement d'état de la matière
Pour finir, explorons quelques exemples courants d'états de la matière :
- L'exemple typique d'états de la matière est l'eau, H2O. À la pression atmosphérique, elle bout à 100°C et gèle à 0°C. Nous appelons l'eau gazeuse vapeur et l'eau solide glace.
- La glace sèche, comme on l'appelle, est la forme solide du dioxyde de carbone, le CO2. Le CO2 n'a pas d'état liquide mais passe directement de l'état solide à l'état gazeux.
- Les deux seuls éléments du tableau périodique qui sont liquides à température ambiante et à la pression atmosphérique sont le brome, Br, et le mercure, Hg. Les autres métaux sont des solides, tandis que les non-métaux sont un mélange de solides et de gaz.
- À température ambiante et à la pression atmosphérique, le sable, la farine et le bois sont tous des exemples de solides. Le lait, l'huile et le sirop sont des exemples de liquides tandis que l'oxygène, l'ammoniac et le chlore sont des exemples de gaz.
États de la matière - Points clés
- Les états de la matière sont des formes physiques distinctes sous lesquelles la matière peut exister.
- Les trois principaux états de la matière sont les solides, les liquides et les gaz. Les particules de ces états ont des dispositions, des vitesses et des niveaux d'énergie différents, entre autres propriétés :
- Les particules d'un solide sont maintenues très étroitement ensemble dans une position fixe. Elles ont une faible énergie et vibrent sur place.
- Les particules d'un liquide sont étroitement liées entre elles mais peuvent se déplacer. Elles ont une énergie légèrement supérieure à celle des particules d'un solide.
- Les particules d'un gaz sont très dispersées et se déplacent rapidement. Elles ont une énergie très élevée.
- Il existe un quatrième état de la matière, appelé plasma. Le plasma est obtenu par ionisation d'un gaz et contient donc des particules chargées.
- Le changement d'état de la matière implique le chauffage ou le refroidissement d'une substance. Lorsqu'une substance change d'état, sa température reste la même jusqu'à ce que toutes les particules soient dans le nouvel état.
- L'eau (H2O) est un exemple d'état de la matière. À l'état solide, elle est appelée glace et à l'état gazeux, elle est appelée vapeur.
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