Propriétés et états de la matière (physique): un aperçu

Les propriétés physiques de la matière sous-tendent une grande partie de la physique. En plus de comprendre les états de la matière, les changements de phase et les propriétés chimiques, lorsqu'on discute de la matière, il est important de comprendre les grandeurs physiques telles que la densité (masse par unité de volume), la masse (quantité de matière) et la pression (force par unité surface).

La matière de tous les jours que vous connaissez est faite d'atomes. C'est pourquoi les atomes sont communément appelés les éléments constitutifs de la matière. Il existe plus de 109 types d'atomes différents, et ils représentent tous les éléments du tableau périodique.

Les deux parties principales de l'atome sont le noyau et la couche électronique. Le noyau est de loin la partie la plus lourde de l'atome et c'est là que se trouve la majeure partie de la masse. C'est une région étroitement liée au centre de l'atome, et malgré sa masse, elle prend relativement peu de place par rapport au reste de l'atome. Dans le noyau se trouvent des protons (particules chargées positivement) et des neutrons (particules chargées négativement). Le nombre de protons dans le noyau détermine quel élément est l'atome, et différents nombres de neutrons correspondent aux différents isotopes de cet élément.

Les électrons sont des particules chargées négativement qui forment un nuage diffus ou une coquille autour du noyau. Dans un atome de charge neutre, le nombre d'électrons est le même que le nombre de protons. Si le nombre est différent, l'atome est appelé un ion.

Les molécules sont des atomes liés par des liaisons chimiques. Il existe trois grands types de liaisons chimiques: ioniques, covalentes et métalliques. Les liaisons ioniques se produisent lorsqu'un ion négatif et un ion positif sont attirés l'un vers l'autre. Une liaison covalente est une liaison dans laquelle deux atomes partagent des électrons. Les liaisons métalliques sont des liaisons dans lesquelles les atomes agissent comme des ions positifs noyés dans une mer d'électrons libres.

Les propriétés microscopiques des atomes et des molécules donnent naissance aux propriétés macroscopiques qui déterminent le comportement de la matière. La réponse des molécules aux changements de température, la force des liaisons, etc. conduisent à des propriétés telles que la capacité thermique spécifique, la flexibilité, la réactivité, la conductivité et bien d'autres.

Un état de la matière est l'une des nombreuses formes distinctes possibles sous lesquelles la matière peut exister. Il existe quatre états de la matière: solide, liquide, gazeux et plasma. Chaque état a des propriétés distinctes qui le distinguent des autres états, et il existe des processus de transition de phase par lesquels la matière passe d'un état à un autre.

Lorsque vous pensez à un solide, vous pensez probablement à quelque chose de dur ou de ferme d'une manière ou d'une autre. Mais les solides peuvent également être flexibles, déformables et malléables.

Les solides se distinguent par leurs molécules étroitement liées. La matière à l'état solide a tendance à être plus dense que lorsqu'elle est à l'état liquide (bien qu'il existe des exceptions, notamment l'eau). Les solides conservent leur forme et ont un volume fixe.

Un type de solide est uncristallinesolide. Dans un solide cristallin, les molécules sont disposées selon un motif répétitif dans tout le matériau. Les cristaux sont facilement identifiables par leur géométrie macroscopique et leurs symétries.

Un autre type de solide est unamorphesolide. Il s'agit d'un solide dans lequel les molécules ne sont pas du tout disposées dans un réseau cristallin. UNEpolycristallinsolide est quelque part entre les deux. Il est souvent composé de petites structures monocristallines, mais sans motif répétitif.

Les liquides sont constitués de molécules qui peuvent s'écouler facilement les unes par rapport aux autres. L'eau que vous buvez, l'huile avec laquelle vous cuisinez et l'essence de votre voiture sont tous des liquides. Contrairement aux solides, les liquides prennent la forme du fond de leur récipient.

Bien que les liquides puissent se dilater et se contracter à différentes températures et pressions, ces changements sont souvent faibles et, dans la plupart des cas, on peut également supposer que les liquides ont un volume fixe. Les molécules d'un liquide peuvent s'écouler les unes par rapport aux autres.

La propension d'un liquide à être légèrement «collant» lorsqu'il est attaché à une surface est appeléeadhésion, et la capacité des molécules liquides à vouloir se coller les unes aux autres (comme lorsqu'une goutte d'eau forme une boule sur une feuille) est appeléecohésion​.

Dans un liquide, la pression dépend de la profondeur, et à cause de cela, les objets immergés ou partiellement immergés ressentiront une force de flottabilité due à la différence de pression sur le haut et le bas de l'objet. Le principe d'Archimède décrit cet effet et explique comment les objets flottent ou coulent dans les liquides. On peut le résumer par l'affirmation que "la force de flottabilité est égale au poids du liquide déplacé". En tant que telle, la force de flottabilité dépend de la densité du liquide et de la taille de l'objet. Les objets plus denses que le liquide couleront et ceux qui le sont moins flotteront.

Les gaz contiennent des molécules qui peuvent se déplacer facilement les unes autour des autres. Ils prennent toute la forme et le volume de leur contenant et se dilatent et se contractent très facilement. Les propriétés importantes d'un gaz comprennent la pression, la température et le volume. En fait, ces trois quantités suffisent à décrire complètement l'état macroscopique d'un gaz parfait.

Un gaz parfait est un gaz dans lequel les molécules peuvent être approchées comme des particules ponctuelles et dans lequel on suppose qu'elles n'interagissent pas les unes avec les autres. La loi des gaz parfaits décrit le comportement de nombreux gaz et est donnée par la formule

oùPest la pression,Vest le volume,mest le nombre de moles d'une substance,Rest la constante des gaz parfaits (R= 8,3145 J/molK) etTest la température.

Une autre formulation de cette loi est

oùNest le nombre de molécules etkest la constante de Boltzmann (k​ = 1.38065 × 10^-23 J/K). (Un lecteur sceptique peut vérifier quenR = Nk​.)

Les gaz exercent également des forces de flottabilité sur les objets qui y sont immergés. Alors que la plupart des objets du quotidien sont plus denses que l'air qui nous entoure, ce qui rend cette force de flottabilité peu perceptible, un ballon à l'hélium en est un parfait exemple.

Le plasma est un gaz devenu si chaud que les électrons ont tendance à quitter les atomes, laissant des ions positifs dans une mer d'électrons. Parce qu'il y a un nombre égal de charges positives et négatives dans le plasma dans l'ensemble, il est considéré quasi-neutre, bien que la séparation et l'agglutination locale des charges amènent le plasma à se comporter très différemment d'un gaz ordinaire.

Le plasma est fortement influencé par les champs électriques et magnétiques. Ces champs n'ont pas besoin non plus d'être externes, car les charges dans le plasma lui-même créent des champs électriques et des champs magnétiques lorsqu'ils se déplacent, qui s'influencent mutuellement.

À des températures et des énergies plus basses, les électrons et les ions veulent se recombiner en atomes neutres, donc pour qu'un état de plasma soit maintenu, il faut généralement des températures élevées. Cependant, un soi-disant plasma non thermique peut être créé lorsque les électrons eux-mêmes maintiennent une température élevée alors que les noyaux ionisés ne le font pas. Cela se produit par exemple dans le gaz de vapeur de mercure d'une lampe fluorescente.

Il n'y a pas nécessairement de coupure nette entre un gaz « normal » et un plasma. Les atomes et les molécules d'un gaz peuvent devenir ionisés par degrés, affichant plus de dynamique semblable à celle d'un plasma à mesure que le gaz se rapproche de la pleine ionisation. Le plasma se distingue des gaz standards par sa conductivité électrique élevée, le fait qu'il agit comme un système avec deux types distincts de particules (ions positifs et électrons négatifs) par opposition à un système avec un seul type (atomes ou molécules neutres), et des collisions et interactions de particules qui sont beaucoup plus complexes que les interactions « boule de billard » à 2 corps dans un système standard. gaz.

Des exemples de plasma incluent la foudre, l'ionosphère terrestre, l'éclairage fluorescent et les gaz dans le soleil.

La matière peut subir un changement physique d'une phase ou d'un état à un autre. Les principaux facteurs qui affectent ce changement sont la pression et la température. En règle générale, un solide doit devenir plus chaud pour se transformer en liquide, un liquide doit devenir plus chaud pour se transformer en gaz et un gaz doit devenir plus chaud pour s'ioniser et devenir un plasma. Les températures auxquelles ces transitions se produisent dépendent du matériau lui-même ainsi que de la pression. En effet, il est possible de passer directement d'un solide à un gaz (c'est ce qu'on appelle la sublimation) ou d'un gaz à un solide (dépôt) dans les bonnes conditions.

Lorsqu'un solide est chauffé à son point de fusion, il devient liquide. De l'énergie thermique doit être ajoutée pour chauffer le solide jusqu'à la température de fusion, puis de la chaleur supplémentaire doit être ajoutée pour terminer la transition de phase avant que la température ne puisse continuer à augmenter. lechaleur latente de fusionest une constante associée à chaque matériau particulier qui détermine la quantité d'énergie nécessaire pour faire fondre une unité de masse de la substance.

Cela fonctionne aussi dans l'autre sens. Lorsqu'un liquide se refroidit, il doit dégager de l'énergie thermique. Une fois qu'il atteint le point de congélation, il doit continuer à dégager de l'énergie pour subir la transition de phase avant que la température ne puisse continuer à baisser.

Un comportement similaire se produit lorsqu'un liquide est chauffé à son point d'ébullition. De l'énergie thermique est ajoutée, ce qui fait augmenter la température jusqu'à ce qu'elle commence à bouillir, moment auquel l'énergie thermique ajoutée est utilisée pour provoquer la transition de phase, et la température du gaz résultant n'augmentera pas tant que tout le liquide n'aura pas changé phase. Une constante appeléela chaleur latente de vaporisationdétermine, pour une substance particulière, la quantité d'énergie nécessaire pour changer la phase de la substance de liquide à gazeuse par unité de masse. La chaleur latente de vaporisation d'une substance est généralement bien supérieure à la chaleur latente de fusion.

Les propriétés chimiques de la matière déterminent quels types de réactions chimiques ou de changements chimiques peuvent se produire. Les propriétés chimiques sont distinctes des propriétés physiques en ce sens qu'elles nécessitent une sorte de changement chimique afin de les mesurer.

Des exemples de propriétés chimiques comprennent l'inflammabilité (la facilité de combustion d'un matériau), la réactivité (la facilité avec laquelle il subit réactions chimiques), la stabilité (la probabilité qu'il résiste aux changements chimiques) et les types de liaisons que le matériau peut former avec d'autres matériaux.

Lorsqu'une réaction chimique se produit, les liaisons entre les atomes sont altérées et de nouvelles substances se forment. Les types courants de réactions chimiques comprennent la combinaison (dans laquelle deux molécules ou plus se combinent pour former une nouvelle molécule), la décomposition (dans laquelle une molécule se sépare en deux ou plusieurs molécules différentes) et la combustion (dans laquelle les composés se combinent avec l'oxygène, libérant des quantités importantes de chaleur - plus communément appelée « brûlage ») pour nommer un peu.