ìLesdifférentsétatsdelamatière

I–IntroductionEtatsetchangementsd’état

II–L’étatgazeuxCaractéristiquesmacroscopiquesEquationd’étatd’ungazparfaitDescriptionmicroscopiqueMélangesdegazModèlesdesgaz«réels»

III–L’étatliquideCaractéristiquesmacroscopiques

IV–L’étatsolideSolidesamorphesetcristallins

Introduction

Lestroisétatsprincipauxdelamatièresont

L’ETATGAZEUXnoncondensé,désordonné

L’ETATLIQUIDEcondensé,désordonné

L’ETATSOLIDEcondensé,désordonnéàsolidesamorphescondensé,ordonnéàsolidescristallins

Introduction

Introduction

Changementsd’étatUnchangementd'étatestunetransitiondephaselorsdupassaged'unétatdelamatièreàunautre.

Introduction

Exemple:Lediagrammedephasedel’eau

L’eauallieunetrèsgrandecompressibilitéàunedensitétypiqued’unliquide.Danslemêmetemps,l’eaudevientunsolvantpuissant,cequienfaitunesubstancetrèsréactive.L’eausupercritiquesertentreautreàretraiterlesdéchetsnucléaires.

Etatsupercritique

https://lejournal.cnrs.fr/videos/recycler-nos-dechets-avec-de-leau-a-500-degres

L’étatgazeux

L'étatgazeuxsecaractériseparsonaspectnoncondensé.Ilapourcetteraisondespropriétésparticulières,quisontliéespourunepartimportanteàl'espacemententrelesmoléculesouatomesquileconstituent.Cespropriétésétantrelativementsimples,ellesontpermisauxpremierschimistesdel'époquemoderne(Proust,Dalton,Gay-Lussac,Avogadro…)dedécouvrirdesnotionsfondamentalessurlastoechiométrie,lesmoléculesetlesatomes...

L’étatgazeux

QuelquespropriétésmacroscopiquesMassevolumiquefaible

airambiant:massevolumique≈12,7kg.m-3.eauliquide:massevolumique≈1000kg.m-3

CompressibilitéélevéeLacompressibilitéestlavariationrelativedevolumesousl’effetd’unepressionappliquée.Elleesttrèsgrandepourlesgaz,etfaiblepourlesliquidesetlessolides.ViscositéfaibleLaviscositéestlarésistanceàl'écoulementuniformeetsansturbulenceseproduisantdanslamassed'unematière.LaviscositésemesureenPa.s.Pourungaz,elleestnettementplusfaiblequepourunliquide:

airambiant:10-6à10-5Pa.seauliquide:10-3Pa.s.

L’étatgazeux

QuelquespropriétésmacroscopiquesDilatationthermiqueLorsqu'onchauffeungaz,celui-ciatendanceàsedilater(sonvolumeaugmente).Danscecas,sadensité(massevolumique)diminue:ildevientdoncplusléger.Ainsi,l'airatendanceàs'éleverau-dessusd'unappareildechauffage.

Phénomènedeconvectionnaturelle

Tì Vì ρîLegazdevientplusléger

Tî Vî ρì Legazdevientpluslourd

L’étatgazeux

VariablesmacroscopiquesLes3caractéristiquesfondamentalesd’ungaz,appeléesvariablesd’état,sont:

Pression(P),Température(T),Volume(V)

Dimensionsetunitésd’unepression

Lapressionestuneforcerapportéeàlasurfacesurlaquelleelles’applique:

P=F/Sà[P]=[N]/[L]2=[M][L][t]–2/[L]2=[M][t]–2/[L]

Danslesystèmeinternational,lapressions’exprimeenPascal(Pa):1Pa=1N/m²

Autresunitésusuelles:Bar: 1bar=100000PaAtmosphère: 1atm=101325PaMillimètresdeMercure: 1mmHg=133,3Pa

L’étatgazeux

VariablesmacroscopiquesLes3caractéristiquesfondamentalesd’ungaz,appeléesvariablesd’état,sont:

Pression(P),Température(T),Volume(V)

Unitésd’unetempérature

L'unitédetempératuredanslesystèmeinternationalestleKelvin(K).

Autresunitésusuelles:Celsius: 1°C=1K–273,15Fahrenheit: Cetteéchelleattribueuneplagede180°Fentrelatempératuredesolidificationdel'eauetsatempératured'ébullition.Onladéduitdel'échelleCelsiusparunefonctionaffine.Ellefixelepointdesolidificationdel'eauà32°Fetlepointd’ébullitionà212°F.

L’étatgazeux

451F:pointd’auto-inflammationdupapier.Quelestl’équivalenten°C?

L’étatgazeux

VariablesmacroscopiquesLes3caractéristiquesfondamentalesd’ungaz,appeléesvariablesd’état,sont:

Pression(P),Température(T),Volume(V)

Unitésd’unvolumeL'unitédevolumedanslesystèmeinternationalestlemètrecube(m3).1m3=1000L.

Conditionsnormalesdetempératureetdepression(CNTP)Latempératureestfixéeàunevaleurditetempératurenormalede0°CLapressionestfixéeàunevaleurditepressionnormalede1atmConditionsstandardsdetempératureetdepressionLatempératureestfixéeàunevaleurditetempératurestandardde25°CLapressionestfixéeàunevaleurditepressionnormalede1atm

L’étatgazeux

TransformationISOTHERMELatempératureTestfixe

SiT=csteàPV=csteLoideBoyle-Mariotte(1660)Àdémontrer:leproduitPValadimensiond’uneénergie

L’étatgazeux

TransformationISOBARELapressionPestfixe

SiP=csteàV/T=csteLoideGay-Lussac/CharlesAttention:cecin’estvérifiéquelorsquelatempératureTestpriseparrapportàunzéroabsolu,etdoncexpriméeenKelvin.C'estjustementenfaisantcesexpériencessurlesgazquel'onapudéfinircettenotiondetempératureabsolue

L’étatgazeux

TransformationISOCHORELevolumeVestfixe

SiV=csteàP/T=cste

Résumé

L’étatgazeux

Equationd’étatd’ungaz“parfait”Onpeutrésumerlestroisloisenuneseule:

PV/T=cste

Laconstantenedépendquedunombredemoléculesdegaz(etnonpasdeleurmasse).C'estsuiteàcettedécouvertequel'onaintroduitlanotiondemole:1mole=6,0221023molécules=NA,nombred’Avogadro

PV=nRT Loid'Avogadro-Ampère

LaconstanteRestappeléeconstanteuniverselledesgazparfaits.Elles’exprimeenJ/mole/K. R=8,314J/mole/K

L’étatgazeux

AutresvariablesmacroscopiquesConcentration C=n/V=P/RTMassevolumique ρ=m/V=nM/V=PM/RTDensité d=ρgaz/ρair

Lamassemolairemoyennedel'airest<M>=29g.mol–1,d’où:

d=Mgaz/29Volumemolaire Vm=V/n=RT/P

L’étatgazeux

DescriptionmicroscopiquedesgazUngazestconstituédemolécules(oud'atomesisolés)séparéeslesunesdesautrespardesdistancesbiensupérieuresàleurspropresdimensions.Levolumedesseulesmoléculesestfaibledevantlevolumetotal.Exemple:O2CNTP:levolumedesmoléculesprésentesdans1000litresreprésenteenviron2,5litres.Lesmoléculesdegazsontaniméesd'unmouvementd'agitationtrèsrapideetcomplètementdésordonné.Ellesseheurtententreellesetleursmouvementssemblentaléatoires.

L’étatgazeux

AgitationthermiqueetpressionLapressionexercéeparungazsuruneparoiprovientdelasommedeschocsdechaquemoléculesurcetteparoi.Lorsqu'onréduitlevolumed'ungaz,alorslafréquencedescollisionsestplusforte,donclapressionaugmente.-  Plusilyademoléculesparunitédevolume,plusilyadechocs:lapressionPest

proportionnelleàlaconcentrationC

-  Plusl'énergiedugazestimportante,pluslapressionaugmente:ilyaproportionnalitéentrePetEcetdoncentrePetT.

P=kCTD’aprèslaloidesgazparfaits,k=R,d’oùP=RCT

L’étatgazeux

AgitationthermiqueettempératureSiunemoléculedemassemsedéplaceàunevitessev,l’énergiecinétiquetotaled’unemolevaut:

<Ec>=NAx½m<v2>

Latempératured'ungazestdirectementliéeàl’énergiecinétiquedesmolécules:

<Ec>=NAx3/2kBT

kBestlaconstantedeBoltzmannkB=1,3806488.10–23J.K–1

NAxkB=Rà<Ec>=3/2RT

L’étatgazeux

MélangedegazparfaitsLefaitquelesgazsoientsipeudensesleurpermetdesemélangerentreeuxentoutesproportions.Pourdécrirelesmélanges,onutiliselanotiondefractionmolaire:

xG=nG/ntot=CG/CtotUnefractionmolairen’apasd’unités.Onpeutl’exprimeren%.Lasommedesfractionsmolairesestégaleà1(ou100%).

L’étatgazeux

Exemple:compositiondel’airà20°CAirsec

Airhumide

L’étatgazeux

LoideDaltonLespropriétésdesgazparfaitsnesontpasliéesàlaformeetlatailledesmolécules.Enparticulier,lapressiontotaled'ungazestliéeuniquementàlaquantitétotaledemolécules:

Ptot=CtotRT=C1RT+C2RT+C3RT…

P1=C1RT=pressionpartielledugaz1

LapressionpartielleP1estlapressionqu'exerceraitl'espèce1sielleoccupaitseulelevolumetotal.Lapressiontotaleestlasommedespressionspartiellesdesconstituantsdumélange.

Ptot=ΣiPiavec Pi=xiPtot

L’étatgazeux

Densitéd’unmélangeLamassemolairemoyenned’unmélangedépenddesfractionsmolairesetdelamassemolairedeconstituant:

<M>=ΣixiMi

Massemolairemoyennedel'airsec<M>=29g.mol-1(Aretrouveràpartirdestableauxdecompositiondel'air).

ρmélange=n<M>/V=P<M>/RT

L’étatgazeux

GazréelsLemodèledugazparfaitestunebonneapproximationlorsquelapressionestfaible,etquelatempératureloindelatempératured'ébullition.En1873,lechimisteallemandVanderWaalsproposedeuxcorrectionsàlaloidesgazparfaits:1.Levolumeoccupéparlesmoléculesdegazn’estpastotalementnégligeabledevantlevolumetotal,surtoutàfortepressionoufaibletempérature.CettecorrectionconsistedoncàretirerauvolumeVdelaloidesGazParfaitsunvolumenondisponibleVb,appelécovolume,quiestliéauvolumedesmoléculeselles-mêmes:

Vréel=V–nVb

L’étatgazeux

Gazréels2.Ilexistedesinteractionsentrelesmoléculesdegaz,quideviennentdeplusenplusimportanteslorsquelapressionaugmente.L'effetdesattractionsmutuellesentremoléculesestderéduirelesdegrésdelibertédedéplacementd'unemoléculeauvoisinaged'uneautre,cequiamèneàunecompressionsupplémentaire.CettecompressionsupplémentaireestproportionnelleaucarrédelaconcentrationCdugaz.

Préel=P+αC2

Gazparfait:PV=nRTàGazréels:PréelVréel=nRT

(P+αC2)(V–nVb)=nRT Equationd'étatdeVanderWaals

L’étatliquide

QuelquespropriétésmacroscopiquesDensité

d=ρliq/ρeauFaiblecompressibilitéViscositévariable

DonnéesenPa.sà20°C:

eau:1,002×10-3 huiled’olive:de0,081à0,1 éthanol:1,20×10-3 miel:101 acétone:0,326×10-3 bitume:108

L’étatliquide

MélangedeliquidesAucontrairedesgaz,deuxliquidesnesontpastoujoursmisciblesentreeux.

Lamiscibilitéde2composésAetBrésultedel’existencedeforcesd’attractionentrelesmoléculesAetB.Miscibilité : forces d’attraction importantes entre molécules A et B Non miscibilité : forces dattraction A-A et B-B plus favorables que A-B.

L’étatliquide

Mélangedeliquides

Un liquide (solvant) peut également servir à solubiliser une quantité plus ou moins élevée d’un composé (soluté), que celui-ci soit initialement sous forme solide, liquide ou gazeuse. On obtient alors une solution.

En fonction de la nature des interactions secondaires que les molécules de solvant sont capables de développer avec les solutés, on distingue les solvants apolaires, polaires et protiques.

En général, la solubilité augmente avec la température, car l’agitation thermique accroît la mobilité des molécules et perturbe l’établissement des liaisons intermoléculaires

L’étatliquide

Solvatation✓ Les solvants protiques (eau, méthanol, éthanol…) sont des molécules polaires susceptibles de former des liaisons hydrogènes : ils permettent en particulier la solubilisation des composés ioniques.

Exemple:solvatationd’unsucrepardesmoléculesd’eau

L’étatliquide

Solvatation✓ Les solvants aprotiques ne permettent pas d’établir des liaisons H. On distingue :

-  Les solvants apolaires (moment dipolaire nul ou négligeable) à solubilisation des composés apolaires

-  Les solvants polaires (moment dipolaire élevé)à solubilisation des composés polaires

OS

O

N H

OO

O

O

cyclopentane cyclohexane benzène

DMSO DMF Ether THF Dioxane

toluène

L’étatliquide

Additivitédesvolumes

Lorsd’unmélange,lamassetotaleseconserve(onnechangepaslenombredemolécules),maispasforcémentlevolumetotal.Exemple:mélangeéthanol+eau

100ml[éthanol]+100ml[eau]<200ml[mélange]

L’étatsolide

L’état solide : état condensé, qui peut être ordonné (solide cristallin) ou désordonné (solide amorphe). Un solide possède non seulement un volume propre, mais aussi une forme propre.

L’une des caractéristiques essentielles des solides est la rigidité : ils sont difficilement déformables, car les forces d’attraction entre atomes ou molécules qui les constituent sont très importantes.

L’étatsolide

Solidesamorphesetcristallins

Solidesamorphespeuventêtreobtenuspar:àRefroidissementbrutald’unliquidelesmoléculesn’ontpasletempsdeprendreleurpositiond’équilibreetnerespectentaucunordreàmoyenneetgrandedistanceàSolidificationdeliquidesvisqueuxdéplacementdesmoléculeslentparrapportàlavitessederefroidissementExemplesdesolidesamorphes

LesmatièreplastiquesLeverre(obtenuparsolidificationdelasilicefondue)

L’étatsolide

Solidesamorphesetcristallins

Solidesamorphes-  Massevolumiqueplusfaiblequelescristaux-  Propriétésisotropes

invariancedespropriétésenfonctiondeladirection-  Pasdefusionfranche

ramollissementprogressifsousl’augmentationdelatempératureSolidescristallins-  Empilementrégulierd’atomesoudemolécules.Structurespériodiques-  Propriétésisotropesouanisotropes-  Pointdefusionbiendéfini