Sciences · Physique
Les états de la matière
La matière existe principalement sous trois états : solide, liquide et gazeux, auxquels s’ajoute le plasma. On passe de l’un à l’autre par des changements d’état qui dépendent de la température et de la pression.
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Un glaçon, l’eau du robinet et la vapeur d’une casserole sont faits des mêmes molécules de H₂O. Ce qui change d’un état à l’autre, c’est la manière dont ces particules sont rangées et la force des liaisons qui les retiennent. L’état d’une substance dépend de deux paramètres : la température, qui mesure l’agitation des particules, et la pression.
Les trois états courants
| Solide | Liquide | Gaz | |
|---|---|---|---|
| Forme propre | Oui | Non (prend la forme du récipient) | Non (occupe tout l’espace disponible) |
| Volume propre | Oui | Oui | Non |
| Compressible | Quasi pas | Très peu | Oui, fortement |
| Organisation des particules | Compactes et ordonnées (ou figées en désordre) | Compactes et désordonnées | Dispersées et désordonnées |
| Mouvement des particules | Vibrent sur place | Glissent les unes sur les autres | Se déplacent librement, à grande vitesse |
| Exemple | Glace, fer, sel | Eau, huile, mercure | Vapeur d’eau, air, hélium |
L’état solide
Les particules sont fortement liées et occupent des positions fixes autour desquelles elles vibrent. On distingue :
- les solides cristallins, où les atomes forment un réseau régulier (sel, métaux, diamant, glace) ;
- les solides amorphes, sans ordre à longue distance (verre, la plupart des plastiques).
L’état liquide
Les particules restent au contact mais peuvent glisser les unes sur les autres : le liquide coule. Sa surface libre au repos est plane et horizontale. Un liquide se caractérise par sa viscosité (résistance à l’écoulement : le miel est plus visqueux que l’eau) et sa tension superficielle.
L’état gazeux
Les particules sont éloignées les unes des autres (environ dix fois leur taille dans l’air ambiant) et se déplacent en tous sens à des centaines de mètres par seconde. Les chocs contre les parois créent la pression. Pour un gaz parfait :
P × V = n × R × T
avec P en pascals, V en m³, n en moles, T en kelvins et R = 8,314 J/(mol·K).
Le quatrième état : le plasma
À très haute température (plusieurs milliers de degrés), les atomes d’un gaz perdent tout ou partie de leurs électrons : on obtient un plasma, mélange d’ions et d’électrons libres qui conduit l’électricité. Rare sur Terre (éclairs, aurores polaires, néons, flammes très chaudes), c’est pourtant l’état le plus répandu de la matière visible dans l’Univers : les étoiles sont des boules de plasma.
D’autres états existent dans des conditions extrêmes : condensat de Bose-Einstein (obtenu en 1995 près du zéro absolu), cristaux liquides (écrans LCD), fluide supercritique (au-delà du point critique, ni liquide ni gaz).
Les changements d’état
| Passage | Nom | Exemple |
|---|---|---|
| Solide → liquide | Fusion | Glaçon qui fond |
| Liquide → solide | Solidification | Eau qui gèle |
| Liquide → gaz | Vaporisation (ébullition ou évaporation) | Eau qui bout, linge qui sèche |
| Gaz → liquide | Liquéfaction (ou condensation liquide) | Buée sur une vitre froide |
| Solide → gaz | Sublimation | Neige carbonique (CO₂ solide), naphtaline |
| Gaz → solide | Condensation solide (ou déposition) | Givre, gelée blanche |
| Gaz → plasma | Ionisation | Éclair |
Le palier de température
Pendant un changement d’état d’un corps pur, la température reste constante tant que la transformation n’est pas terminée. Toute l’énergie reçue sert à rompre les liaisons entre particules. Cette énergie est la chaleur latente (ou enthalpie de changement d’état).
| Pour l’eau | Valeur |
|---|---|
| Chaleur latente de fusion | 334 kJ/kg |
| Chaleur latente de vaporisation (à 100 °C) | 2 257 kJ/kg |
Un mélange (eau salée, alliage) ne présente généralement pas de palier net : il fond ou bout sur un intervalle de températures. C’est un moyen de vérifier la pureté d’une substance.
Températures de fusion et d’ébullition
Sous pression atmosphérique normale :
| Substance | Fusion (°C) | Ébullition (°C) |
|---|---|---|
| Hélium | — (reste liquide à 1 atm) | −269 |
| Azote | −210 | −196 |
| Éthanol | −114 | 78 |
| Mercure | −39 | 357 |
| Eau | 0 | 100 |
| Plomb | 327 | 1 749 |
| Fer | 1 538 | 2 862 |
| Tungstène | 3 422 | 5 555 |
Le rôle de la pression
La température d’ébullition dépend de la pression : en altitude, où la pression est plus faible, l’eau bout à moins de 100 °C (environ 86 °C au sommet du mont Blanc, 4 807 m). À l’inverse, l’autocuiseur augmente la pression et fait bouillir l’eau vers 120 °C, ce qui accélère la cuisson.
Un diagramme de phases indique l’état d’une substance selon la température et la pression. Deux points remarquables :
- le point triple, où les trois états coexistent (pour l’eau : 0,01 °C et 611,657 Pa) ;
- le point critique, au-delà duquel liquide et gaz ne se distinguent plus (pour l’eau : 374 °C et 22,1 MPa).
L’eau présente une anomalie : solide, elle est moins dense que liquide, c’est pourquoi la glace flotte (voir l'eau).
Questions fréquentes
Combien y a-t-il d’états de la matière ?
Trois états courants (solide, liquide, gaz), plus le plasma, souvent appelé quatrième état. Les physiciens en décrivent d’autres dans des conditions extrêmes, comme le condensat de Bose-Einstein.
Quelle est la différence entre vapeur et fumée ?
La vapeur d’eau est un gaz invisible. Le « nuage blanc » au-dessus d’une casserole est en réalité fait de fines gouttelettes d’eau liquide, issues de la condensation de la vapeur. La fumée est un mélange de gaz et de fines particules solides issues d’une combustion.
Le verre est-il un liquide ?
Non, c’est un solide amorphe. L’idée que les vitraux anciens seraient plus épais en bas parce que le verre aurait coulé est fausse : l’épaisseur irrégulière vient des techniques de fabrication de l’époque.
Pourquoi le sel fait-il fondre la glace ?
Le sel dissous abaisse la température de solidification de l’eau (jusqu’à environ −21 °C pour une saumure saturée). La glace en contact avec le sel fond donc même en dessous de 0 °C.