La matière et ses états ~ cours to all

I. La matière :

I.1. La définition de Wikipédia

La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et possède une masse. Ainsi, en physique, tout ce qui a une masse est de la matière.

La matière ordinaire qui nous entoure est formée de baryons et constitue la matière baryonique. Cette définition exclut les bosons fondamentaux, qui transportent les quatre forces fondamentales, bien qu'ils aient une masse et/ou une énergie

source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Matière

Cette définition, issue de l'encyclopédie gratuite Wikipédia, met en avant quelques aspects permettant de définir ce qu'est la matière. La définition est toutefois complexe ! Attardons-nous sur quelques caractéristiques principales :
compose tout corps réel
possède trois états les plus communs
occupe de l'espace
possède une masse
I.2. Composition de la matière
En fait, tout ce qui nous entoure est constitué de matière [Matière vient du Latin : materia apparenté à mater (« mère » (Figuré) « celle qui produit », « cause », « source », « origine »)]. Celle-ci est en majorité constituée de vide. La matière peut être divisée en plus petites parties jusqu'au moment où celle-ci n'est plus divisible. On arrive alors à un élément constituant la matière : les molécules. Toutefois, dans cette division, il y a un stade où lorsque l'on continue la division, les morceaux obtenus ne sont plus identiques et n'ont plus les mêmes propriétés que la matière de départ. Ainsi, on peut encore diviser les molécules en entités plus petites, comme des blocs de constructions élémentaires : les atomes.

Les atomes composant les molécules composant la matière sont eux mêmes composés de particules. La composition des atomes sera traitée au chapitre : le modèle atomique.

II. Les états de la matière :

La définition de wikipédia introduit la notion d'état de la matière. Celle-ci peut en effet se retrouver sous différentes formes : liquide, solide ou gaz.
II.1. Observons les différents états que peut prendre l'eau dans la nature :

Solide	Liquide	Gaz
		Attention ! C'est parce qu'il y a de l'eau sous forme gazeuse que nous pouvons observer la formation de nuages. Les nuages sont constitués de molécules d'eau recondensées en petites gouttes. L'eau sous forme gazeuse est donc bien invisible !
glaçon	eau	humidité de l'air

L’eau à l’état liquide ("l’eau" toute seule dans le langage commun) est un élément essentiel présent sur le globe terrestre (quatre cinquièmes de la surface de la terre est immergée).
L’eau à l’état solide (appelée communément "glace") constitue une réserve d’eau temporaire ou permanente énorme (neige, glaciers, inlandsis, calottes polaires).
L’eau à l’état gazeux (appelée normalement "vapeur d’eau"), l'atmosphère contient de la vapeur d'eau, tout comme l'air que nous expirons.

II.2. Essayons de représenter la disposition des molécules d'eau selon les trois états.


molécules ordonnées très rapprochées liées	molécules désordonnées rapprochées peu liées	molécules désordonnées espacées très agitées
caractéristiques : Forme invariable Volume invariable	caractéristiques : Forme variable Volume invariable	caractéristiques : Forme variable Volume variable

L’état de l’eau est en fait fonction de l’agitation de ses molécules (H₂O : molécule renfermant deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène).
A l’état solide, les molécules d’eau sont soudées les unes aux autres et vibrent très faiblement (d’autant moins que la température de la glace est basse).
A l’état liquide, les molécules d’eau sont associées ; c’est-à-dire faiblement attachées les unes aux autres.
A l’état gazeux, les molécules ne sont plus liées entre elles ; elles sont animées de mouvements désordonnés.

II.3. Les changements d'état de l'eau
Le passage d’un état d’agitation moléculaire faible à un état plus élevé (d'un état de la matière à un autre) impose d’introduire de l’énergie au sein des molécules (on parle de chaleur). Inversement, le passage d’un état d’agitation élevé à un état plus faible libère cette chaleur.
L'exemple classique : lorsque je désire faire bouillir de l'eau, pour cuisiner, je dois allumer la plaque chauffante. En réalité, la plaque chauffante apporte de l'énergie (chaleur) à l'eau qui l'utilise d'abord pour augmenter sa température et lorsque toute l'eau liquide est arrivée à une température de 100°C, l'eau passe alors de l'état liquide à l'état gazeux (vapeur d'eau).

Le passage de l’état solide à l’état liquide est la fusion (l’inverse la solidification). Ce passage demande que l'on apporte de l'énergie à l'eau.
Le passage de l’état liquide à l’état gazeux est l’évaporation (l’inverse la condensation). Ce passage consomme également de l'énergie.

Observons un graphique où l'on a mesuré le temps nécessaire à un bloc de glace pour se transformer en vapeur. Nous avons mesuré la température et l'on a fourni en continu de l'énergie (de la chaleur).
Analysons le graphique :

Au départ de l'expérience, le bloc de glace a une température plus basse que sa température de fusion. Toute l'énergie, la chaleur apportée va servir à augmenter la température du bloc de glace.
Lorsque le bloc de glace est arrivé à la température de fusion de la glace (0°C), toute l'énergie va maintenant servir a faire passer l'eau de l'état solide à l'état liquide (la glace rentre en fusion). Il n'y a pas d'augmentation de température car toute l'énergie apportée est utilisée pour réaliser le changement d'état. Durant cette phase, de l'eau sous forme solide et sous forme liquide vont être présentes dans le milieu.
Lorsque toute l'eau est passée sous forme liquide, la chaleur apportée va être utilisée afin d'augmenter la température du liquide.
Quand l'eau liquide atteint la température d'ébullition de l'eau (100°C), toute l'énergie (la chaleur apportée) va être utilisée par les molécules d'eau afin de passer de l'état liquide à l'état gazeux. De l'eau à l'état liquide et à l'état gazeux vont être présente durant toute la vaporisation. A la fin de la vaporisation, toute l'eau aura changé d'état et se retrouvera sous forme de vapeur d'eau (gaz).
L'énergie qui continue à être apportée au système va alors servir à augmenter la température du gaz (et aussi l'excitation des molécules).

Quelques températures de fusion et d'ébullition de composés courants :
Substance Température de fusion (°C) Température d'ébullition (°C)
Eau 0 100
Alcool (éthanol) -117 78
Cuivre 1083 2560
Plomb 327 1749
Fer 1538 2861
Mercure -39 357
Argent 960 2162

II.4. Les changements d'états particuliers :
Avec le cas de l'eau, nous avons vu que le passage de l'état solide à l'état gazeux se faisait en passant par l'état liquide. Cela n'est valable pour l'eau qu'à la pression atmosphérique (environ 1013hPa).
Il existe aussi d'autres composés pour lesquels certains états n'existent pas à la pression atmosphérique.
Le cas de l'iode
Crédit photos - Frédéric Lorenzon - www.physicollege.fr.st

L'iode solide est déposé dans un ballon.
Le ballon est placé dans un chauffe ballon et l'iode solide se transforme en un gaz mauve (I₂) sans passage par l'état liquide lorsque l'on chauffe.
Plus haut, dans le col du ballon, qui est froid, l'iode se dépose et cristallise sous forme de petits cristaux

L'iode passe de l'état solide à l'état gazeux lorsqu’on le chauffe. On dit que l'iode se sublime. Le passage de l'état solide à l'état gazeux sans passage par l'état liquide s'appelle la SUBLIMATION.
L'iode gazeux qui se recristallise en un solide directement réalise une condensation solide.
D'autres exemples :

· La glace sèche, est du dioxyde de carbone (CO₂) à la température de -78°C, en se réchauffant, il passe directement sous forme gazeuse et l'on observe l'apparition de nappe de brouillard

· Les ampoules halogènes : sous l'effet de la chaleur, le tungstène (symbole W, métal dont est fait le filament) se sublime et peut se redéposer sous forme solide sur les parois de verre de l'ampoule (l'ampoule devient opaque) ou à d'autres endroits sur le filament.

II.5. La distillation, une application des changements d'état
Le vin contient de l'eau et de l'alcool. Il est possible de séparer l'alcool du reste du mélange (ou du moins une partie). Pour cela, on va utiliser une propriété physique de l'alcool : sa température d'ébullition (78°C). Celle-ci est plus faible que celle de l'eau (100°C). Ainsi, quand le mélange atteindra 78°C, l'alcool va se retrouver progressivement sous forme gazeuse. Un dispositif qui récupère et refroidit cet alcool est mise en place et l'on récupère de l'alcool pur (à 96%) sous forme liquide en fin de processus.
Évolution théorique :
En pratique:
Le ballon (2) contenant le mélange (15) à distiller (vin) est placé dans un bain-marie (14) posé sur une plaque chauffante (1).
Le ballon (2) est surmonté d'une colonne vigreux (3), surmonté par un thermomètre (4).
Lorsque la température du mélange (eau + alcool) atteint 78°C, l'alcool passe à l'état gazeux et monte dans la colonne vigreux (3). Les vapeurs d'alcool sont ensuite entraînées dans un réfrigérant à eau (5) où de l'eau froide (6) circule en continu et est ensuite rejetée (7) vers les égouts. Dans le réfrigérant, l'alcool sous forme gazeuse se condense en alcool liquide qui s'écoule vers le ballon de récolte (8). Ce ballon (8) est placé dans un mélange réfrigérant (eau/sel) qui maintient l'alcool vers 0°C. Le captage des gaz vers le ballon (8) au travers du réfrigérant (5) est facilité par l'aspiration d'une pompe à vide (9).
Durant tout le passage à l'état gazeux de l'alcool et tant qu'il reste de l'alcool dans la solution à distiller, la température reste constante. Lorsque la température recommence à augmenter, l'on sait que l'alcool est extrait au maximum possible du mélange.
L'alcool recueilli dans le ballon (8) est appelé un distillat.
Le distillat recueilli sera de l'alcool pur à 96%. Il est impossible d'obtenir de l'alcool pur à 100% avec cette technique à cause de propriétés spécifiques du mélange eau - alcool. Lors de la distillation, l'utilisation d'une colonne vigreux (3) est indispensable, elle permet d'augmenter le pourcentage d'alcool contenu dans les vapeurs et d'éliminer au maximum en les faisant se recondenser les molécules d'eau entrainées par l'alcool gazeux.

EXERCICE : http://www.lachimie.net/page05e.htm