Propriétés physiques

Propriété physique et chimique

Expliquons cela. Si tu chauffes une substance jusqu'à son point de fusion, elle passe de l'état solide à l'état liquide. Prenons l'exemple de la glace (voir États de la matière pour plus d'informations). Lorsque la glace fond, elle devient de l'eau liquide. Elle a changé d'état de matière. Cependant, son identité chimique est toujours la même : l'eau et la glace ne contiennent que des molécules.

Cela signifie que l'état de la matière est une propriété physique, tout comme la température. La masse et la densité en sont d'autres exemples. En revanche, la radioactivité et la toxicité sont des exemples de propriétés chimiques.

Propriétés physiques de l'eau

Comme le chlore, l'eau solide forme un cristal moléculaire. Mais contrairement au chlore, l'eau est liquide à température ambiante. Pour comprendre pourquoi, comparons-la à une autre molécule covalente simple, l'ammoniac, \( NH_3 \) . Elles ont toutes deux des masses relatives similaires. Elles sont toutes deux des solides moléculaires et forment également toutes deux des liaisons hydrogène.

Nous pourrions donc prédire qu'elles ont des points de fusion similaires. Les forces intermoléculaires entre leurs molécules sont sûrement similaires. Mais en réalité, le point de fusion de l'eau est beaucoup plus élevé que celui de l'ammoniac. Elle a besoin de plus d'énergie pour surmonter les forces entre ses particules. L'eau est également moins dense à l'état solide qu'à l'état liquide, ce qui, comme tu le sais, est inhabituel pour une substance. Voyons pourquoi.

Examinons une molécule d'eau. Elle contient un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène. Chaque atome d'oxygène possède deux paires d'électrons non liées. Cela signifie que l'eau peut former jusqu'à quatre liaisons hydrogène - une avec chaque atome d'hydrogène et une avec chaque paire d'électrons libres de l'oxygène.

Fig.1- Chaque molécule d'eau peut former jusqu'à quatre liaisons hydrogène.

Lorsque l'eau est liquide, les molécules sont constamment en mouvement. Les liaisons hydrogène entre les molécules d'eau sont constamment rompues et reformées. En fait, toutes les molécules ne possèdent pas les quatre liaisons hydrogène. Cependant, lorsque l'eau est de la glace solide, toutes ses molécules forment le nombre maximal de liaisons hydrogène possible. Cela les oblige à former un lattice avec toutes les molécules dans une certaine orientation, ce qui affecte la densité de l'eau et ses points de fusion et d'ébullition.

Densité

L'eau est moins dense sous forme solide que sous forme liquide. Comme nous l'avons mentionné précédemment, c'est inhabituel. En effet, la disposition et l'orientation des molécules d'eau dans leur lattice solide les éloignent un peu plus les unes des autres que dans un liquide.

Le point de fusion

L'eau a un point de fusion relativement élevé par rapport à d'autres molécules covalentes simples ayant une masse relative similaire. Cela est dû au fait que ses multiples liaisons hydrogène entre les molécules nécessitent beaucoup d'énergie pour être surmontées.

Si nous comparons les structures de l'eau et de l'ammoniac, nous pouvons expliquer la différence observée dans les points de fusion. L'ammoniac ne peut former que deux liaisons hydrogène l'une avec la paire d'électrons non liée de son atome d'azote, l'autre avec l'un de ses atomes d'hydrogène.

Fig.2- Liaison hydrogène entre les molécules d'ammoniac. Note que chaque molécule peut former un maximum de deux liaisons hydrogène.

Cependant, nous savons maintenant que l'eau peut former quatre liaisons hydrogène. Comme l'eau a deux fois plus de liaisons hydrogène que l'ammoniac, elle a un point de fusion beaucoup plus élevé. Le tableau suivant résume les différences entre ces deux composés.

Propriété physique des métaux

Au début de tes études, tu as probablement appris certaines propriétés générales des métaux : ils sont durs, solides et bons conducteurs de chaleur et d'électricité. Nous pouvons désigner l'ensemble de ces caractéristiques comme le caractère métallique. Mais lorsque tu examines les métaux des groupes \( I \space et \space II \) du tableau périodique, ces propriétés ne semblent pas tenir.

Comme nous l'avons découvert dans l'introduction, le sodium (un métal du groupe \( I \) est mou, malléable et réagit si vivement avec l'air et l'eau qu'il doit être stocké dans l'huile. Cela ne correspond pas tout à fait au "caractère métallique" !

Cependant, les métaux correspondent à la description stéréotypée d'un métal, du moins en ce qui concerne leurs propriétés physiques :

• Les métaux de transition sont durs et solides. On peut aussi les combiner en alliages pour les rendre encore plus forts.
• Ils ont des points de fusion et d'ébullition élevés.
• Ils sont insolubles dans l'eau.
• En outre, ils sont de bons conducteurs de chaleur et d'électricité.
• De nombreux métaux de transition sont brillants et lustrés.
• Ils ont également une densité élevée.

Propriétés physiques des matériaux

Les propriétés physiques des matériaux sont utilisées pour sélectionner le bon matériau pour une application et pour pouvoir choisir le bon procédé de fabrication.

Les propriétés physiques qui décrivent le comportement vis-à-vis de la température, de la chaleur, du courant électrique, du magnétisme…

Densité ou masse volumique

Considérons deux solides ou deux pièces de même forme et de même volume.

Si tu les places sur une balance, celle-ci penchera en faveur de l'autre.

Application

Les matériaux de faible densité sont utilisés pour vaincre l'inertie, c'est-à-dire pour toutes les pièces mobiles. Par exemple, les jantes de roue, le fuselage d'un avion.

Les matériaux à haute densité sont utilisés pour les contrepoids tels que les grues de construction.

Dilatabilité thermique

Si tu prends deux matériaux A et B, pour former deux pièces de même longueur et que tu chauffes les deux pièces.

Les deux pièces se dilatent, mais la seconde ne se dilate plus, on dit qu'elle est plus dilatable.

Application

Une faible dilatation thermique est nécessaire si les pièces doivent être utilisées dans des conditions climatiques très variables. Par exemple, les câbles haute tension, les rails de chemin de fer.

En revanche, une dilatation thermique élevée est requise pour les capteurs de température, les thermomètres et les thermostats.

L'échauffement

Soumettons maintenant deux matériaux A et B à un flux de chaleur entrant. Voyons ce qui se passe à leurs températures respectives.

La température de B augmente beaucoup plus que celle de A, on dit donc que B a un effet chauffant plus important.

Application

Une faible élévation de température est nécessaire, c'est-à-dire une capacité thermique élevée ou une densité thermique élevée, si des pièces de frottement sont requises, c'est-à-dire des pièces qui sont soumises à beaucoup de frottement, comme les disques de frein.

En revanche, une puissance calorifique élevée et une faible densité thermique sont requises pour les éléments chauffants tels que les résistances des fers à souder.

Conductivité thermique

Les deux matériaux \( a \) et \( b \) reçoivent le même flux thermique entrant pour les deux. À la sortie, \( b \) présente un flux de chaleur beaucoup plus élevé que \( a \) . Alors \( a \) présente une conductivité thermique plus élevée.

Application

Une faible conductivité thermique est nécessaire pour l'isolation thermique, comme les parois des fours et des réfrigérateurs.

D’autre part, pour les applications sur lesquelles un échange de chaleur est nécessaire, comme les radiateurs de chauffage ou les radiateurs de refroidissement.

Propriété physique du plastique

Les plastiques présentent plusieurs propriétés générales intéressantes qui expliquent leur large utilisation dans la fabrication d'objets techniques. Nous utilisons tous des objets en plastique comme des sacs, des récipients, des seaux, des tasses, etc.

Les jouets en plastique sont très courants. comme nous savons le plastique est en fait un polymère comme une fibre synthétique. Dans quelques plastiques les monomères sont disposés en chaîne comme les perles dans le cas d'un collier. Dans quelques plastiques les monomères sont réticulés au lieu d'être disposés de façon linéaire.

Pourquoi les plastiques sont-ils si populaires ?

Les métaux comme le fer rouillent lorsqu'ils sont exposés à l'humidité et à l'air, mais les plastiques ne réagissent pas à l'eau et à l'air et ne se corrodent pas facilement, ils sont résistants à la corrosion.

Le plastique est très durable et léger, il est également très flexible et peut prendre n'importe quelle forme. Il est donc largement utilisé pour la fabrication de jouets et de meubles.

Le plastique est utilisé pour fabriquer des tableaux électriques, des bases d'impulsion, des corps d'appareils électriques, des revêtements de fils électriques, car le plastique est un isolant.

D'autre part, nous voyons des poignées en plastique sur les ustensiles de cuisine puisqu'elles ne deviennent pas chaudes lorsque nous cuisinons.

Cela signifie que le plastique est également un mauvais conducteur de chaleur.

Propriété physique des gaz

Nous savons que les gaz ont plus d'espaces vides entre les particules que les solides. Ils n'ont pas de forme et de volume définis.

Pour expliquer le comportement des gaz, la théorie cinétique moléculaire des gaz a été adoptée :

• Un gaz est constitué de très petites particules.
• Les particules sont en mouvement constant et désordonné en ligne droite.
• Les molécules d'un gaz sont très éloignées les unes des autres.
• Il n'existe aucune force d'attraction ou de répulsion entre les molécules.
• Les molécules entrent en collision entre elles et avec les parois du récipient. Toutes les collisions sont parfaitement élastiques.

Les gaz ont les propriétés suivantes :

• masse
• volume
• température
• pression

Masse

La quantité de masse des gaz peut être exprimée en moles ou en grammes. La masse des gaz est négligeable.

Volume

Les gaz ont tendance à occuper tous les espaces du récipient dans lequel ils sont confinés.

Les unités couramment utilisées pour exprimer le volume d'un gaz sont le litre \( L \) et le millilitre \( mL \) .

Compressibilité

Contrairement aux liquides et aux solides, les gaz ont beaucoup d'espace vide entre les particules, ce qui les rend compressibles, car la quantité d'espace entre elles peut être réduite lorsque le volume de leur récipient.

Pression

La pression d'un gaz peut être modifiée en ajoutant ou en retirant des particules, en changeant le volume du récipient ou en modifiant la température.

Voyons comment cela fonctionne :

Les particules se déplacent en heurtant des surfaces et en créant une pression. Lorsque tu ajoutes plus de moles d'un gaz, il y a plus de particules qui frappent les surfaces et la pression augmente.

Température

Lorsque tu ajoutes de la chaleur, tu augmentes l'énergie cinétique, ce qui provoque plus de collisions et augmente la pression.

Propriété de l'air

L’air est un composé de trois gaz principaux : l'azote, l'oxygène et le dioxyde de carbone. L’azote forme \( 78 \% \) de l'air, l'oxygène \( 21 \% \) et le dioxyde de carbone \( 0,04 \% \) . En plus de ces trois gaz, l'air contient également de la vapeur d'eau, des particules de poussière et d'autres gaz connus sous le nom de gaz rares.

Nous savons tous que l'air nous entoure. Regarde autour de toi. Peux-tu voir l'air ? Non, car l'air est transparent et incolore.

Prends un sac en papier, souffle de l'air dedans et ferme son ouverture. Le sac semble-t-il gonflé ? Maintenant, fais un trou à l'arrière. Que se passe-t-il ?

Le sac rétrécit et finit par devenir plat. C’est parce que l'air qui se trouvait à l'intérieur s'est échappé par le trou. Cette activité montre que l'air occupe l'espace.

Maintenant, prends un ballon et attends, souffle de l'air dedans et ferme son ouverture. Pèse à nouveau le ballon. Y a-t-il une différence entre les deux poids ? Oui.

Cette activité confirme que l'air a un poids.

Prends trois ballons de forme et de taille différentes et souffle de l'air dans les trois. Les ballons remplis d'air semblent-ils différents les uns des autres ?

Oui, car ils avaient à l'origine des formes et des tailles différentes.

• L'air est transparent et incolore.
• L’air n'a pas de forme et de taille définies, il occupe la forme de son récipient.
• L’air exerce une pression. L’air qui entoure la terre est appelé atmosphère. La pression exercée par l'atmosphère est connue sous le nom de pression atmosphérique.
• L'air devient moins dense à haute altitude. Par conséquent, la pression atmosphérique diminue à mesure que l'altitude augmente.

Félicitations ! Tu as réussi à connaître les propriétés physiques !