1. C. LES ETATS DE LA MATIERE
3TTS – 4TAP PHYSIQUE 1H/SEM
2. Objectifs :
Connaître les propriétés des trois états physiques de la matière.
Savoir décrire les trois états physiques à l’échelle de la molécule.
Comprendre qu’un changement d’état est une transformation physique.
Savoir expliquer la conservation de la masse lors d’un changement d’état.
Observer expérimentalement l’évolution de la température d’une substance lors d’un
changement d’état.
Comprendre que la température d’un changement d’état permet d’identifier une
substance.
3. Rappel : matière, masse et volume
a) La matière
On appelle matière tout ce qui nous entoure et possède une masse. Elle peut donc être pesée.
La matière peut-être visible ou invisible (ex : La roche est visible, l’air est invisible)
Elle est partout et variée. Il peut s’agir de matière organique, matière minérale, métal, de verre
ou de plastique...
4. - Matière organique = matière qui constitue les êtres vivants.
Ex : ………………………………………………………………………………………………….
- Matière minérale = matière naturelle non-vivante.
Ex : ………………………………………………………………………………………………….
Lipides, protides, glucides, peau, œuf, tomate
Fer, eau, dioxygène, air, …
……………………………………. …………………………………….
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6
5.
6. On peut aussi distinguer la matière naturelle et les matières transformées.
Quand elle sert à fabriquer des objets, on parle de matériaux : avec du cuivre, je fabrique
des fils électriques !
8. Conversions
Afin de convertir facilement (passer d’une unité à une autre) on utilise un tableau appelé « abaque » :
mg
cg
dg
g
dag
hg
kg
10 kg
q
T
milli-
centi-
déci-
gramme
déca-
hecto-
kilogramme
quintal
tonne
• Mettre le chiffre des unités dans la colonne correspondante.
(Exemple : 250 g , on met le 0 dans la colonne des g)
• Ecrire le nombre en entier sans virgule en mettant un chiffre par colonne.
• Complétez avec des zéros (0) jusqu’à atteindre la colonne de l’unité qui nous intéresse.
(Exemple : 250 g --> ….… cg )
• Si besoin, ajoutez une virgule derrière le chiffre de la colonne correspondant à la nouvelle unité.
11. Dans la vie courante, on utilise un autre système de mesure, …………………………………….. .
On utilise également ses multiples : ………………………………………………………………………………
le mètre-cube (m3)
dm3 cm3
Relation entre litre et mètre cube
Une bouteille remplie avec exactement 1 L d’eau peut être
versée dans un cube de 10 cm de côté : 1 L = 1 dm3
18. 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.
19. Les états de la matière sont l'une des formes physiques distinctes sous lesquelles la matière
peut exister.
Il existe trois états principaux de la matière : solide, liquide et gazeux..
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.
20. Quelles sont les propriétés des états physiques et comment les expliquer à l’échelle microscopique ?
Pourquoi dit-on qu’un changement d’état est une transformation physique ?
Quel est l’intérêt de mesurer la température d’un changement d’état ?
21. Description moléculaire des trois états de la matière
La matière est constituée de particules microscopiques appelées molécules.
Nous représenterons une molécule par une forme géométrique simple.
C’est une manière facile de décrire la matière mais ce n’est pas la réalité !
Pour décrire les trois états physiques de la matière, on prendra l’exemple de l’eau dont la
molécule sera représentée par un
.
22. Un solide a une forme …………………….
et un volume ……………………….
Entourer la bonne réponse :
• Un solide peut / ne peut pas être saisi
avec les doigts.
• Un solide prend / ne prend pas la forme
du récipient.
• Un solide a / n’a pas un volume bien
déterminé.
A l’échelle HUMAINE A l’échelle de la MOLECULE
Etat
SOLIDE
Remarque :
On dit d’un objet qu’il a une forme propre quand
l’objet ne change pas de forme lorsqu’on change de
récipient.
On dit que le volume a un volume
propre lorsqu’il garde son volume quand on le change
de récipient. On dira qu’il n’a pas de volume propre
lorsqu’il prend tout l’espace qu’on lui offre, tout
l’espace disponible.
propre
propre
Les molécules sont en contact (ou liées) / libres
et mobiles / immobiles.
Elles forment un ensemble
compact / dispersé et
ordonné / désordonné
23. Etat
LIQUIDE
• Un liquide peut / ne peut pas être saisi avec les doigts.
• Un liquide coule et prend la forme ……………………………………...
• La surface libre d’un liquide est la surface en contact avec
l’air. Elle est toujours ……………… et ………………………………………..
• Un liquide a un volume bien déterminé.
du récipient
plane horizontale
Remarque : Surface horizontale
La surface de l’eau ou la surface des liquides en général est
toujours horizontale donc parallèle au sol quelle que soit
l’inclinaison des récipients. Il faut faire bien attention à cela
dans les schémas puisqu’on a l’habitude de la faire
perpendiculaire aux parois.
Elles forment un ensemble
compact / dispersé et
ordonné / désordonné
Les molécules sont en contact / libres
et mobiles / immobiles : elles peuvent
glisser les unes sur les autres.
Un liquide n’a pas de forme propre mais a un volume propre.
24. Etat
GAZEUX
Un gaz peut / ne peut pas être saisi avec les doigts.
• La plupart des gaz (vapeur d’eau, dioxygène, air…) sont
invisibles.
• Un gaz prend la forme du récipient.
• Un gaz occupe tout l’espace qu’on lui donne : il n’a pas un
volume bien déterminé.
• On peut diminuer le volume d’un gaz : on dit qu’on effectue
une ………………………………………………..
• On peut augmenter le volume d’un gaz : on dit qu’on
effectue une ………………………………………………...
compression
expansion
Un gaz n’a pas de forme propre, ni de volume propre.
Contrairement à un solide et à un liquide, un gaz est
compressible et expansible.
Les molécules sont en contact / libres et
mobiles / immobiles : elles sont même
très agitées.
Attention : Un gaz possède une masse !
Elles forment un ensemble
compact / dispersé et
ordonné / désordonné
25.
26.
27. Et le sable dans tout ça ? Pourquoi n’a-t-il pas les caractéristiques des solides ?
Le sable est un matériau granulaire, c’est-à-dire qu’il est
constitué d’un grand nombre de petits grains solides qui ne
sont pas liés les uns aux autres.
À grande échelle, le sable semble se comporter comme
un liquide, puisqu’il prend la forme de son contenant. C’est ce
qu’on observe dans un sablier, par exemple.
Toutefois, chaque grain individuel possède les propriétés
d’un solide. Ces grains ont une forme et un volume définis.
29. Liaisons entre les molécules et état d’énergie
Les trois états de la matière plus connus sont les solides, les liquides et les gaz.
Toutefois, il en existe d’autres. On peut penser au plasma qui est presque un gaz, à la
différence qu’il contient des électrons libres et des ions (atomes ayant perdu des électrons). Il
y a aussi les condensats de Bose-Einstein qui sont des ondes de matière pouvant se créer
quand certains types d’atomes sont exposés à de très basses températures.
30. Mouvement thermique et forces intermoléculaires
La théorie cinétique de la matière nous indique que les particules qui
composent la matière sont constamment en mouvement. Ce mouvement
chaotique de particules est appelé mouvement thermique.
L’énergie thermique est l’énergie résultante du mouvement de ces particules.
Elle est directement proportionnelle à la température de la substance. Cela
signifie que plus la température augmente, plus les particules se déplacent
rapidement et plus l’énergie qu’elles possèdent est élevée.
31. Il existe des forces d’attraction qui rassemblent les particules qui constituent la
matière. Ces forces sont appelées les forces intermoléculaires. Ces forces sont
d’origine électrostatique, elles sont dues à l’attraction entre des espèces chargées
électriquement (positives et négatives).
32. Les trois états de la matière sont le résultat de l’équilibre entre les forces
intermoléculaires et l’énergie thermique :
L’énergie thermique a tendance à séparer les particules qui forment la
matière.
Les forces intermoléculaires ont tendance à maintenir ensemble les particules
qui forment la matière.
33. Lorsque les forces intermoléculaires sont fortes et l’énergie thermique
faible, la substance aura tendance à se trouver à l’état …………………………..
solide
Lorsque les forces intermoléculaires sont faibles et l’énergie thermique forte,
la substance aura tendance à se trouver à l’état …………………………...
gazeux
L’état ………………………….. résulte d’une équivalence entre forces
intermoléculaires et énergie thermique.
liquide
34. 1) État solide
Dans les solides, les forces qui gardent les particules ensemble sont relativement fortes; les
particules restent donc très près les unes des autres 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. Elles ont
une faible énergie. Elles sont retenues par une « force de rappel », semblable à celle d’un
ressort ; et ne se séparent donc pas. Il faut communiquer une force à un solide pour le
déformer, ce qui n’est pas nécessaire pour un fluide.
C’est pourquoi les solides sont rigides et durs. Ils conservent une certaine
forme et un certain volume, quel que soit leur contenant. Laissés sans
intervention, ils gardent toujours leur forme.
35. 2) État liquide
Dans les liquides, les forces intermoléculaires sont plus faibles. Les particules sont encore
relativement proches les unes des autres, mais elles peuvent se déplacer plus librement. On
observe des interactions, les particules ne sont donc pas individualisées.
Il y a comme un « réseau » d’interaction, les molécules vibrent, mais en restant tout de même
dans une zone déterminée.
Les liquides peuvent donc bouger à l’intérieur d’un contenant, s'écoulent
pour prendre la forme de leur récipient et n’ont pas de forme particulière.
Cependant, ils ont toujours un volume défini. Comme nous avons chauffé
les particules, elles ont plus d'énergie que celles d'un solide.
36. 3) 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.
Les gaz sont partout, mais comme ils sont souvent invisibles, on a du mal à les imaginer. On peut
toutefois les détecter avec d’autres sens. On peut parfois les détecter sur notre peau quand le vent
souffle. D’autres fois, on peut les sentir avec notre nez comme quand des aliments dégagent des odeurs
ou quand une moufette s’est fait surprendre. Certains gaz, comme l’oxygène, sont importants pour la
santé, alors que d’autres, comme le chlore ou le sulfure d’hydrogène, peuvent être mortels. Avant de
subir une intervention chirurgicale, vous pourriez aussi recevoir un gaz anesthésique contenant des
produits chimiques conçus pour vous endormir et neutraliser votre douleur. Les gaz sont également
responsables de la puissance des explosions.
37. Attention ! La vapeur d’eau est invisible.
Quand on pense que le petit nuage au-dessus de la
casserole d’eau est de la vapeur d’eau, c’est faux.
Ce n’est pas de la vapeur d’eau mais de la buée.
La buée est constituée de petites gouttelettes d’eau
liquide en suspension. De même pour les nuages, c’est
soit de l’eau à l’état liquide, soit de l’eau à l’état solide.
38. 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.
Les molécules qui constituent un gaz n’interagissent pas (ou que
très peu) entre elles. Elles sont « indépendantes ».
Chaque collision entre deux particules ou entre une particule et
un mur est une collision élastique. C’est de ces collisions que
provient la pression d’un gaz.
39. Remarque : 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 qui ne se comportent pas tout à fait comme des gaz idéaux sont appelés gaz réels.
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.
Cette loi est connue sous le nom de loi des gaz parfaits (qui sera vue en chimie en 4e) et signifie
qu'une même quantité de tout gaz idéal occupe le même volume à la même température et à la
même pression.
40. 4) L'état 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 qui se trouve à des
températures beaucoup plus élevées est appelé plasma.
41.
42. On le retrouve sur Terre dans les éclairs, les flammes et les aurores boréales et australes.
Le plasma peut également être créé à l'aide d'un laser, de micro-ondes ou d'un champ
magnétique. Il est beaucoup utilisé dans l’industrie et on peut le retrouver dans les écrans
du même nom, les tubes néons et les ampoules basse consommation par exemple. Il est le
sujet de nombreuses recherches et des applications futures sont à prévoir.
Dans l’univers, il est beaucoup plus présent : il représente 99% de la matière. Notre soleil
et toutes les étoiles sont des boules de plasma. On en retrouve aussi dans les nuages
interstellaires.
43.
44. Le Plasma est un gaz hautement ionisé dans lequel certains ou tous les atomes ont été dépouillés
de leurs électrons. Cela engendre plein d’ions chargés positivement et d’électrons chargés
négativement. Les molécules chargées interagissent entre elles et produisent de la lumière.
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.
45. CONCLUSION : Comparaison des états de la matière
Arrangement
Energie
Forces intermoléculaires
Mouvements et vitesse
Forme
Volume
très proches proches loin les unes
des autres
faible moyen élevée
fort faible aucun
Vibrent sur place aléatoire Rapide et aléatoire
propre Fct récipient Fct récipient
propre propre Fct récipient
46. APPLICATIONS
1) Indique l’état physique des molécules d’eau pour chaque représentation donnée ci-dessous.
………………………… ……………………… ………………………
gaz solide liquide
47. 2) Pour chaque propriété, indique le ou les états physiques correspondants.
Gaz + Liquide
Gaz
Solide
Gaz
Liquide
Solide
Solide
Gaz
48. 3) Chaque récipient est rempli à moitié d’une substance indiquée en-dessous.
Trace la surface libre de la substance quand cela est nécessaire.
= gaz !!
49. Particularités de certains états de la matière
1) Les cristaux liquides
En physique, les états de la matière sont les états gazeux, liquide et solide.
Cependant, certaines substances organiques ne présentent pas une transition
unique entre l'état liquide et solide, mais plusieurs transitions faisant apparaître
des états intermédiaires : les mésophases ou plus communément cristaux liquides.
50. Un cristal liquide est donc un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide
ordinaire et celles d'un solide cristallisé.
Par exemple, un cristal liquide peut couler comme un liquide, mais les molécules ont un
certain niveau d'ordre et sont orientées comme dans un cristal. Il y a différentes phases
des cristaux liquides, qui peuvent être distinguées par leurs propriétés optiques
différentes (comme la biréfringence).
51.
52. La toute première application des cristaux liquides a été la fabrication de dispositifs
d’affichage, les LCD (Liquid Crystal Display) (écrans à cristaux liquides). Et c’est dans ce
domaine que ces composés se sont le plus illustrés ces dernières dizaines d’années, des
montres électroniques aux écrans de télévision en passant par les calculatrices, ils ont
envahis l’électronique grand public. C’est encore eux que l’on retrouve dans certains
thermomètres changeant de couleur en fonction de la température ou encore dans des
testeurs de piles...
53. Autres utilisations des cristaux liquides :
- Il peut avoir des propriétés nouvelles, telles que la propriété du changement de
couleur par rapport à l'angle d'observation qui a été utilisée dans les billets de
banque, sur certains logos, ou certaines peintures décoratives.
Le "50" en bas à droite change de couleur
(de mauve à vert olive ou marron) selon
l'angle d'observation du billet.
54. - Certains vitrages incluent des cristaux liquides sous forme de gouttelettes
immobilisées dans un polymère entre deux électrodes : ils passent d'un état laiteux
(comme une vitre dépolie), en l'absence de tension, à un état transparent (comme
une vitre ordinaire) sous tension, sans que la luminosité change.
55. - En tant qu’additifs aux peintures et aux émulsions, ils montrent la capacité de
changer de couleur sous l’influence de la température (vitres de voiture teintées,
jouets qui changent de couleur pendant le bain).
56. 2) Les polymères : des molécules géantes
Les polymères, appelés communément "matières plastiques", sont indissociables de
notre environnement et de notre vie pratique. Ils se sont imposés dans tous les
domaines de nos activités, des plus visibles aux plus cachés, des objets les plus banals
jusqu'à des applications techniques sophistiquées, en passant par leur utilisation dans
les produits d'hygiène ou alimentaires.
Que sont-elles au juste? Qu'ont-elles de particulier qui les rend différentes des métaux,
des roches, des céramiques? Quelles qualités sont à l'origine de leur succès prodigieux?
A quoi ressemblent-elles au niveau microscopique?
57.
58. Même quand on ne sait pas très bien ce que sont les polymères, leurs noms nous sont assez
familiers par les fibres textiles (polyamide, polyester) ou les matériaux de construction
(polychlorure de vinyle ou PVC).
59. En somme un polymère, c'est un poly-quelque chose.
Les molécules des polymères sont constituées de la répétition d'un motif générique, le -mère
(cela signifie qui engendre), appelé monomère.
60. Polymères naturels et polymères de synthèse
Les polymères qui servent à la fabrication de ces produits et articles sont synthétisés
chimiquement à partir du pétrole, mais également du charbon, du gaz naturel et du bois ou
d'autres substances végétales.
La nature elle aussi produit des polymères depuis toujours puisqu'on les trouve dans le bois
et les végétaux sous forme de cellulose et d'amidon, dans les cheveux, les ongles, etc.
L'ADN (voir L'ADN et le code génétique), les protéines, le collagène, la soie sont des
exemples de polymères constitutifs du monde vivant.
61.
62. Leurs propriétés
Lorsqu'on parle de propriété d'un matériau, on se réfère à la façon dont il réagit à une
sollicitation. On pourrait aussi la nommer une sensibilité à cette stimulation, ou bien son
inverse, la stabilité et la résistance.
Ainsi, les propriétés thermiques décrivent le comportement du matériau vis-à-vis de la
chaleur.
63. Propriétés thermiques, les thermodurcissables et les thermoplastiques
On peut classer les polymères en deux types, en fonction de leur réaction à la chaleur :
les thermodurcissables et les thermoplastiques.
64. - Les thermoplastiques fondent lorsqu'on les chauffe, tout comme la glace ou le beurre.
C'est le cas du polyéthylène, du polypropylène, des polyamides, de certains polyesters.
C'est pourquoi il n'est pas recommandé d'oublier le panier à salade en plastique sur la plaque
chaude de la cuisinière.
En revanche, l'avantage est que dans l'état fondu, on peut les mouler dans la forme que l'on
veut. C'est un procédé industriel employé pour fabriquer des objets à la pièce, en discontinu.
65. - Les thermodurcissables durcissent quand on les chauffe.
Un exemple connu est celui des colles ou des peintures. Ils sont également très employés comme
pièces de structure thermostables, par exemple les résines polyépoxydes, certains
polyuréthanes, certains polyesters.
On les met en forme lorsqu'ils sont encore dans leur état mou, de la même manière que les
thermoplastiques, avant qu'ils ne durcissent sous l'effet de la chaleur et d'additifs chimiques qui
induisent la réaction de polymérisation.
66.
67.
68. Propriétés mécaniques
Le succès des polymères provient en partie de la facilité avec laquelle on peut leur
donner des formes voulues (d'autant plus à l'état fondu).
Ils sont très malléables, très plastiques, d'où leur nom.
En fait, cette plasticité varie dans une large gamme, des plus rigides, durs et cassants,
aux plus mous (pâtes) ou élastiques (élastomères).
69. Les propriétés mécaniques décrivent leur comportement vis à vis à des sollicitations
mécaniques telles que pressions, étirements, torsions, frottements, chocs et sous l'effet de la
pesanteur.
Les élastomères, seront recherchés pour leur élasticité qui leur confère une excellente
capacité d'absorption des chocs. On les trouve dans les pneus, les semelles de chaussures,
les matelas, les fibres textiles élasthanne (polyuréthane) ...
70.
71. Autres propriétés
- Leurs propriétés optiques : Transparence (étuis de CD, bouteilles d'eau),
translucidité, opacité, coloration.
- Leurs propriétés électriques et électro-optiques : Les polymères sont largement
utilisés comme isolants électriques, en particulier dans les circuits électroniques et
les gaines de câbles électriques.
- Leurs propriétés de protection physique et chimique : par ex imperméabilité aux
liquides et aux gaz, résistance chimique aux solvants, résistance aux rayons
ultraviolets. Les polymères sont employés pour la fabrication d'imperméables,
d'emballages, de boîtes de conservation, de flacons pour les laboratoires, de
citernes, de gaines de câbles, pour l'enduction de tissus, etc.
72. 3) Les colloïdes
Un colloïde est un mélange d'un liquide et d'une suspension de particules solides de si petites
tailles qu'elles se répartissent de façon homogène.
Le mélange peut rester liquide ou prendre la consistance d'une pâte ou d'un gel.
73. De nombreuses substances d'intérêt industriel, pratique ou alimentaire se présentent sous
cette forme, comme les colles (d'où le nom de colloïde), les encres, la pâte de ciment, des
préparations pharmaceutiques ou cosmétiques, en cuisine les gelées et des compositions
épaisses comme la sauce béarnaise ou la mayonnaise.
74. Des corps organiques deviennent facilement des colloïdes, comme certains polysaccharides
(l'amidon, la pectine (confiture)) ou des solutions de protéines (l'ovalbumine ou la gélatine)
et permettent de fabriquer des flans et des gelées.
Les peintures sans odeur, le lait ou le plasma sanguin sont aussi des solutions colloïdales.
Le comportement d'un colloïde est surtout déterminé par les forces qui s'exercent entre les
particules. Elles peuvent être attractives ou répulsives et sont fortement dépendantes des
conditions physico-chimiques (température, pression, acidité...).
78. On utilise l’adjectif colloïdal pour spécifier que, dans ces systèmes, les dimensions
caractéristiques sont très inférieures au micromètre.
Lorsque les domaines dispersés sont extrêmement petits, la quantité d’interfaces que
contient le matériau est gigantesque.
1Kg particules dont les diamètres sont de 15 nanomètres
= 100 000 m2 d’interfaces!
En conséquence, les systèmes colloïdaux ont les propriétés des interfaces et non pas celles
des phases qui les composent.
79. Ainsi, une pâte formée de particules mouillées par l'eau n'a pas les propriétés de l'eau, ni
celles du solide macroscopique correspondant aux particules, mais plutôt des propriétés
qui reflètent la nature des contacts entre particules.
De même, une mousse est une solution d'un gaz dans un liquide mais elle n’a pas les
propriétés des liquides qui forment les parois des cellules, ni celles des gaz qui les
remplissent, mais plutôt celles des couches interfaciales qui séparent liquide et gaz. La
substance dispersée serait le gaz, ce qui amènerait le fluide à devenir mousseux.
Exemple : la crème à raser.
Ou encore, une émulsion est une combinaison de liquides. Si elle est très concentrée, par
exemple une mayonnaise, peut se comporter comme un gel, c’est-à-dire un solide faible
et gonflé, alors qu’elle ne contient que des liquides.
