Structure de La Matière

« • La liaison covalente relie les électrons isolés de chaque atome pour former des paires d'électrons fortement liées.

• Dans la liaison métallique, les noyaux des atomes se rangent en un réseau régulier.

Les électrons des couches supérieures des atomes se trouvent libres de se déplacer entre les mailles du réseau : c'est pour cette raison que la plupart des métaux sont d'excellents conducteurs.

LES PRINCIPAUX UATS DE LA MATIÈRE Les solides Les solides correspondent à un état dit « ordonné >> de la matière.

Les atomes s'arrangent en une structure organisée difficilement déformable, possédant donc une forme qui lui est propre.

À des températures très basses, c'est-à­ dire au voisinage du zéro absolu (à -273 °C), tous les corps se trouvent à l'état solide.

Les atomes tendent vers une immobilité parfaite.

Quand la température augmente, les atomes sont soumis à une agitation thermique croissante et ils vibrent.

Les vibrations des atomes dans un solide ne correspondent à aucun mouvement discernable à J'échelle humaine mais donnent lieu à des déplacements désordonnés à l'échelle microscopique.

Il existe des solides dits « amorphes », sortes de liquides figés, dans lesquels les atomes sont disposés au hasard.

Ils représentent un état intermédiaire entre les états solide et liquide.

Le uistal est le principal état de la matière inorganique solide.

La répétition régulière d'un motif atomique selon les trois directions de l'espace est caractéristique d'un édifice cristallin.

Le cristal présente un structure géométrique parfois décelable à l'œil nu.

Ainsi, la symétrie hexagonale de J'arrangement des molécules d'eau dans les cristaux de neige se constate d'un simple coup d'œil.

Les cristaux liquides sont pour leur part constitués de molécules dont le degré d'organisation est intermédiaire entre les états solide et liquide.

Les liquides On regroupe le liquide et Je gaz sous Je terme fluide.

l'état fluide se caractérise simplement à l'échelle du visible : il a la propriété de changer de forme et de s'écouler librement sous l'influence de forces très faibles : on dit que les fluides n'offrent pas de résistance au cisaillement.

Le fluide correspond à un état désordonné à toutes les échelles : J'agitation des atomes provoque un changement perpétuel de leurs positions.

Dans un liquide, les éléments constitutifs, atomes, ions ou molécules, ont la possibilité de se mouvoir, même s'ils restent faiblement liés les uns aux autres.

Un liquide est apte à s'écouler : cette capacité des molécules à glisser les unes sur les autres est caractéristique de l'état liquide.

Quant à la résistance à J'écoulement, propre à chaque liquide, elle est appelée « viscosité >>.

Une autre propriété des liquides s'appelle la « tension superficielle >>.

Ce phénomène se traduit par le fait qu'ils tendent à minimiser leur surface libre.

Ainsi, si l'on dépose de l'eau sur une surface de verre propre, celle-ci aura tendance à s'étendre en une couche mince.

En revanche, si Je verre est un peu gras, l'eau demeurera sous forme de gouttes, dont la forme, proche de celle d'une sphère, engendre une surface de contact minimale.

Les gaz Dans un gaz(au sein duquel on opère ici des décharges électriques), les molécules sont parfaitement libres de se déplacer dans tout le volume disponible.

Elles se meuvent souvent de manière erratique, à des vitesses de l'ordre de quelques milliers de kilomètres-heure.

L'état gazeux se caractérise au moyen de trois paramètres : la pression, Je volume et la température.

La pression représente la force exercée par l'ensemble des molécules en mouvement par unité de surface ; elle se traduit, par exemple, par la force exercée sur une paroi d'un récipient contenant Je gaz.

À volume égal, elle augmente avec la température.

Le volume est J'espace occupé par le gaz.

Un gaz se dilate toujours pour occuper tout J'espace disponible, jusqu'à ce que des parois J'arrêtent : à température constante, la pression s'abaisse lors de la dilatation.

Si au contraire l'espace se restreint (sous l'action d'un piston par exemple), les molécules de gaz se rapprochent : à température constante, la pression augmente quand Je volume diminue.

La température mesure l'agitation des molécules du gaz.

Elle est proportionnelle à la pression, à volume constant (plus les molécules s'agitent, plus la force qu'elles exercent sur les parois augmente) ainsi qu'au volume, à pression constante (plus les molécules s'agitent, plus elles tendent à occuper d'espace).

Les changements d'état La matière se rencontre dans trois états, solide, liquide ou gazeux, en fonction de la nature des liaisons atomiques et de J'agitation des particules constitutives du corps concerné.

À volume égal, la température et la pression sont les deux paramètres qui influent à la fois sur le mouvement des particules et sur les liaisons entre les molécules.

Un changement de température eVou de pression ����-������llltl peut provoquer ainsi un changement d'état du corps: il passe du solide au liquide (fusion) ou du liquide au solide (solidification), du liquide au gaz (vaporisation), du gaz au liquide (liquéfaction), du solide au gaz (sublimation) ou encore du gaz au solide (condensation).

l'eau fournit un bon exemple de changements d'état: • en dessous de aoc, elle est solide, c'est de la glace; • à aoc elle devient liquide; • à 1aaoc elle se vaporise, c'est un gaz.

Les changements d'état de l'eau sont réversibles : la vapeur d'eau libérée à 1aaoc peut se condenser au contact d'une paroi froide en donnant de l'eau liquide qui peut, à son tour, se transformer en glace.

pression en hectopascals (hP) On définit pour chaque corps, un « diagramme d'état" qui représente les domaines de stabilité des trois états et les limites entre eux.

Ce diagramme indique la variation de pression en fonction de la température.

Les trois états y coexistent en un seul point appelé « point triple >> : Je point triple de J'eau est atteint à une température de 273,16 kelvin (soit a,Ol oq et une pression de 6,1 hectopascals.

Ainsi, la température et la pression du point triple sont caractéristiques d'un corps donné.

Partant de ce point la courbe de fusion définit l'équilibre entre le solide et le liquide.

Si cette courbe est illimitée, celle qui sépare les domaines du liquide et du gaz s'arrête au point triple.

Au delà de ce point, le liquide et le gaz sont indissociables et forment un état dit« supercritique >>.

La courbe de sublimation, démarrant elle aussi au point triple, correspond à l'équilibre entre le solide et le gaz.

DES flATS Il EXOTIQUES » DE LA MATIÈRE Le gaz parfait Le gaz parfait est un modèle théorique, qui n'existe donc pas dans la réalité, élaboré pour modéliser simplement tous les états de la matière pour lesquels les interactions entre les molécules qui la constituent sont négligeables.

Dans ce modèle, les molécules sont donc supposées sans aucune interaction entre elles.

Le plasma Dans des conditions extrêmes de température, les liaisons atomiques se brisent, les atomes libèrent leurs électrons et la matière se retrouve dans un état ni solide, ni liquide, ni franchement gazeux : Je plasma.

Un plasma se définit couramment comme un gaz d'atomes ou de molécules ionisés.

Il est composé en général d'un mélange d'ions positifs et d'électrons, mais il existe aussi des plasmas d'ions négatifs.

Des plasmas se produisent dans les éclairs d'orages et sont la source de la lumière des tubes au néon.

La température d'un plasma peut dépasser plusieurs centaines de millions de degré.

Au delà de 1aa millions de degrés cependant, les noyaux des atomes commencent à se dissocier et des fusions nucléaires se préparent dans Je plasma.

lA MATIÈRE DES CORPS PURS ET DES MÈLANCES Tous les objets qui nous entourent sont formés soit d'une seule substance -il s'agit alors de corps purs, simples ou composés -soit d'un mélange de plusieurs substances -on parle alors de mélanges, mélanges de corps simples ou de corps composés.

Les corps purs Ce sont les constituants des mélanges.

lis sont caractérisés par des constantes physiques telles que leur point d'ébullition ou de fusion.

À la différence de celle des mélanges, leur composition reste fixe quel que soit leur état physique.

Un corps pur change d'état à température constante.

Selon que les molécules des corps purs sont formées d'un élément chimique ou de plusieurs, on les classe en corps simples et corps composés.

• Les molécules des corps simples ne contiennent qu'un seul type d'élément chimique.

Le carbone par exemple, combinable avec de nombreux autres éléments, fournit deux corps simples : le diamant et le graphite, exclusivement composés d'atomes de carbone.

· Les molécules d'un corps composé sont toutes identiques, constituées d'au moins deux éléments chimiques différents.

Il existe virtuellement une infinité de corps composés, présents dans la nature ou synthétisés par l'homme.

Les mélanges Un mélange est J'association de plusieurs corps ne résultant pas d'une réaction chimique.

Un corps ou un assemblage de corps qui apparaît homogène est appelé une « phase >>.

Un mélange est dit hétérogène lorsqu'il comporte au moins deux phases aux propriétés différentes et homogène lorsque les propriétés sont les mêmes en tout point.

Selon Je degré « d'intimité •• des produits, on distingue plusieurs types de mélanges homogènes : les solutions, les alliages métalliques et les émulsions.

• Dans les solutions, Je produit mélangé au solvant se scinde au niveau d'une liaison ionique et se regroupe autour des molécules du solvant.

C'est ainsi qu'un solide peut se mêler à un liquide.

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1 ,, / • Les alliages métalliques (ici du bronze, alliage de cuivre et d'étain) sont des mélanges de métaux aux propriétés atomiques voisines, qui leur permettent de s'intégrer dans une même structure métallique.

On obtient ainsi des métaux aux propriétés intéressantes de dureté, de malléabilité et de résistance à la corrosion.

• Les émulsions sont à la limite du mélange homogène : il s'agit de deux liquides qui en temps normal ne se mélangent pas et forment deux phases.

Sous certaines conditions (agitation, présence d'un catalyseur, etc.), l'une des phases liquides se scinde en minuscules gouttelettes en suspension au sein de J'autre liquide.

Ainsi un mélange peut sembler homogène à l'œil nu alors qu'il ne l'est pas à l'échelle microscopique.

La matière n'est d'ailleurs jamais parfaitement homogène puisque les molécules qui la composent sont plus ou moins éloignées les unes des autres dans l'espace : J'homogénéité se révèle être une propriété dépendante de l'échelle d'observation.

LES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE LA MATIÈRE Isolants et condudeurs Au xvu• siècle, les scientifiques ont mis en évidence une propriété de la matière liée à l'électricité.

La distinction entre matériaux électriques et matériaux non électriques s'est traduite par une division entre corps conducteurs d'électricité et corps isolants.

Cette propriété dépend de la mobilité des particules qui composent Je corps.

• Un matériau comportant des électrons libres sera conducteur d'électricité : les électrons peuvent faire circuler le courant.

Une substance conductr ice contient donc à toute température un grand nombre d'électrons libres de se déplacer à l'intérieur de l'édifice atomique.

Les métaux sont en général de très bon conducteurs, particulièrement le cuivre, l'argent et l'or.

• Un matériau isolant, pauvre en électrons libres, stocke l'énergie électrique localement accumulant ainsi les charges électriques.

Le caoutchouc, l'air ou la céramique sont de très bon isolants.

Dilatation, élasticité et plasticité Si on chauffe un corps solide ou une quantité fixe de liquide ou de gaz, sa masse ne change pas, mais on peut constater que Je volume augmente.

C'est ce qu'on appelle la dilatation.

l'inverse de la dilatation est la contraction.

l'élasticité est la propriété qui permet à un corps sur lequel on applique par exemple une force d'étirement de reprendre sa forme et sa longueur initiale dès que la force cesse d'être exercée.

Si Je matériau ne reprend pas sa forme initiale mais garde celle qu'il avait lorsque la force lui était appliquée, on parle de plasticité.

Enfin, si la force appliquée est trop importante, le corps peut se casser : il y a rupture du matériau.. »