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États de la matière

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 :

  • Solide
  • Liquide
  • Gaz

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.

États de la matière, Diagramme montrant la disposition des particules dans un solide, StudySmarterFig.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.

États de la matière, Diagramme montrant la disposition des particules dans un liquide, StudySmarterFig.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.

États de la matière, Diagramme montrant la disposition des particules d'un gaz, StudySmarterFig.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.

États de la matière, Diagramme montrant la disposition des particules dans le plasma, StudySmarterFig.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 :

États de la matière, tableau comparatif des propriétés des solides, liquides et gaz, StudySmarterFig.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 :

États de la matière, Diagramme montrant les changements d'état de la matière, StudySmarterFig.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.

Questions fréquemment posées en États de la matière

Les différents états de la matière sont :


  • Solide
  • Liquide
  • Gaz

Les états de la matière sont l'une des formes physiques distinctes sous lesquelles la matière peut exister. Les états de la matière se distinguent par leur structure, la disposition des particules, les forces intermoléculaires et l'énergie relative 

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 :


  • Solide
  • Liquide
  • Gaz


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

 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.  

Questionnaire final de États de la matière

Question

Qu'est-ce qu'un gaz parfait ?

Montrer la réponse

Réponse

Un gaz théorique qui ne présente aucune force intermoléculaire ou interaction entre les molécules.

Montrer la question

Question

Quelle loi explique le comportement du gaz parfait ?

Montrer la réponse

Réponse

Loi des gaz parfaits

Montrer la question

Question

Où peut-on trouver du gaz parfait dans l'environnement ?

Montrer la réponse

Réponse

Nulle part. Le gaz parfait est un gaz hypothétique. Il n'existe pas dans l'environnement.

Montrer la question

Question

Quel gaz réel se comporte le plus comme un gaz parfait ?

Montrer la réponse

Réponse

L'hélium.

Montrer la question

Question

Quelle est la définition de la température et de la pression standard et qui la définit ?

Montrer la réponse

Réponse

La température et la pression standard sont définies comme suit : T = 273,15 K (0C) et P = 105 Pa (1 bar).


Elle est définie par l'UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée).

Montrer la question

Question

Quel type de collision les molécules/atomes d'un gaz réel ont-ils ?

Montrer la réponse

Réponse

Inélastique

Montrer la question

Question

Dans quelles conditions les gaz réels s'écartent-ils du comportement du gaz parfait ?

Montrer la réponse

Réponse

Haute pression et basse température.

Montrer la question

Question

Le gaz parfait peut-il être liquéfié ?

Montrer la réponse

Réponse

Oui

Montrer la question

Question

Pourquoi ne peux-tu pas liquéfier un gaz parfait ?

Montrer la réponse

Réponse

Parce qu'il n'y a pas de forces d'attraction intermoléculaires entre les particules d'un gaz parfait. 

Montrer la question

Question

Nomme 4 gaz réels qui se comportent comme des gaz parfaits dans des conditions normales de température et de pression.

Montrer la réponse

Réponse

Oxygène. Hydrogène. Hélium, Néon, Azote



Montrer la question

Question

L'air peut-il être considéré comme un gaz parfait ?

Montrer la réponse

Réponse

Oui. L'air est un mélange composé principalement d'azote et d'oxygène, avec un petit pourcentage de dioxyde de carbone, d'argon et d'autres gaz. La plupart de ces gaz se comportent comme des gaz parfaits dans les conditions atmosphériques.

Montrer la question

Question

Quelle est la loi des gaz parfaits ?

Montrer la réponse

Réponse

Une équation reliant la pression, la température et le volume d'un gaz parfait.




PV = nRT

Montrer la question

Question

Vrai ou faux ? Lorsqu'une substance change d'état, sa température augmente.

Montrer la réponse

Réponse

Vrai

Montrer la question

Question

Qu'est-ce que 1 bar en Pascals ?

Montrer la réponse

Réponse

105 Pa ou 100kPa

Montrer la question

Question

Quelle loi explique le comportement du gaz parfait ?

Montrer la réponse

Réponse

Loi des gaz parfaits

Montrer la question

Question

Où peux-tu trouver le gaz parfait dans l'environnement ?

Montrer la réponse

Réponse

Nulle part. Le gaz parfait est un gaz hypothétique. Il n'existe pas dans l'environnement.

Montrer la question

Question

Quel gaz réel se comporte le plus comme un gaz parfait ?

Montrer la réponse

Réponse

Hélium.

Montrer la question

Question

Quelle est la définition de la température et de la pression standard (STP) et qui la définit ?

Montrer la réponse

Réponse


 STP est défini par T = 273,15K (0oC) et P = 105 Pa (1 bar).


Il est défini par l'UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée).

Montrer la question

Question

Quel type de collision les molécules/atomes d'un gaz réel ont-ils ?

Montrer la réponse

Réponse

Élastique

Montrer la question

Question

Dans quelles conditions les gaz réels s'écartent-ils du comportement du gaz parfait ?

Montrer la réponse

Réponse

Haute pression et basse température.

Montrer la question

Question

Le gaz parfait peut-il être liquéfié ?

Montrer la réponse

Réponse

Non

Montrer la question

Question

Pourquoi ne peut-on pas liquéfier un gaz parfait ?

Montrer la réponse

Réponse

Parce qu'il n'y a pas de forces d'attraction intermoléculaires entre les particules d'un gaz parfait

Montrer la question

Question

Citez 4 gaz réels qui se comportent comme des gaz parfaits dans des conditions normales de température et de pression.

Montrer la réponse

Réponse

Oxygène. Hydrogène. Hélium, Néon, Azote.

Montrer la question

Question

L'air peut-il être considéré comme un gaz parfait ?

Montrer la réponse

Réponse

Oui. L'air est un mélange composé principalement d'azote et d'oxygène, avec un petit pourcentage de dioxyde de carbone, d'argon et d'autres gaz. La plupart de ces gaz se comportent comme des gaz parfaits dans les conditions atmosphériques.

Montrer la question

Question

Considérons deux gaz réels, A et B. Les particules de A ont des forces d'attraction intermoléculaires plus importantes que celles de B. Quel gaz s'écartera le plus facilement du comportement du gaz parfait ?

Montrer la réponse

Réponse

Gaz A.

Montrer la question

Question

Quel est le nom du mouvement aléatoire que les particules de gaz présentent ?

Montrer la réponse

Réponse


Mouvement brownien

Montrer la question

Question

Qu'est-ce que 0oC en Kelvin ?

Montrer la réponse

Réponse

273.15 K

Montrer la question

Question

Quand les gaz se comportent-ils idéalement ?

Montrer la réponse

Réponse

Lorsque la température est élevée et que la pression est faible

Montrer la question

Question

Définis la loi d’Avogadro

Montrer la réponse

Réponse

le volume d'un gaz est directement proportionnel au nombre de particules de ce gaz ; deux volumes égaux de gaz à la même température et à la même pression contiennent le même nombre de particules.

Montrer la question

Question

Qu'arrive-t-il à la pression quand on augmente la température ?

Montrer la réponse

Réponse

l'augmentation de la température entraîne une augmentation des mouvements et des collisions, ce qui augmente la pression.

Montrer la question

Question

Que se passe-t-il avec la pression quand on augmente le nombre de particules ?

Montrer la réponse

Réponse

les particules augmentent, la pression augmente (plus de particules dans un espace donné entraîne plus de collisions, la pression augmente)

Montrer la question

Question

Qu'arrive-t-il à la pression quand on diminue le volume ?

Montrer la réponse

Réponse

la pression augmente parce qu'il y a moins d'espace, donc les particules se heurtent plus souvent.

Montrer la question

Question

Définis la température à zéro absolu Kelvin

Montrer la réponse

Réponse

0k, il n'y aura pas de mouvement moléculaire à ce niveau ; n'a jamais été atteint.

Montrer la question

Question

 L'augmentation de la température entraîne une _________.

Montrer la réponse

Réponse

Augmentation du mouvement des molécules.

Montrer la question

Question

 Qu'est-ce que la température ?

Montrer la réponse

Réponse

Mesure de l'énergie cinétique dans un système.

Montrer la question

Question

Qu'est-ce que la pression ?

Montrer la réponse

Réponse

Mesure de la quantité de collisions des particules avec le récipient et entre elles.

Montrer la question

Question

Définis la quantité de gaz

Montrer la réponse

Réponse

 

Nombre de particules de gaz mesuré en moles

Montrer la question

Question

Définis le volume d'un gaz

Montrer la réponse

Réponse

le volume de son récipient puisque le gaz se dilate pour remplir son récipient

Montrer la question

Question

Quelles sont les deux hypothèses de la loi des gaz parfaits ?

Montrer la réponse

Réponse

  • Les molécules des gaz parfaits ne s'attirent ni ne se repoussent.


  • Les molécules des gaz parfaits occupent un volume nul.

Montrer la question

Question

Quelle est l'équation du gaz parfait (y compris les unités) ?

Montrer la réponse

Réponse

\( PV=nRT \) 



où P=pression en atm, 

V=volume en L,

 n=moles,

 R=constante de 0,08206 (L*atm)/(mol*K), et 

T=température en K (C+273.15)

Montrer la question

Question

Une mole d'un gaz quelconque à STP occupe combien de volume ?

Montrer la réponse

Réponse

22.4 L

Montrer la question

Question

Quelle est la pression et la température standard

Montrer la réponse

Réponse

Température : 273\( K \)

Pression : \( 1 \times 10^5 \) \( pascals \)


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