ì les différents états de la matière
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ìLesdifférentsétatsdelamatière
I–IntroductionEtatsetchangementsd’état
II–L’étatgazeuxCaractéristiquesmacroscopiquesEquationd’étatd’ungazparfaitDescriptionmicroscopiqueMélangesdegazModèlesdesgaz«réels»
III–L’étatliquideCaractéristiquesmacroscopiques
IV–L’étatsolideSolidesamorphesetcristallins
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Introduction
Lestroisétatsprincipauxdelamatièresont
L’ETATGAZEUXnoncondensé,désordonné
L’ETATLIQUIDEcondensé,désordonné
L’ETATSOLIDEcondensé,désordonnéàsolidesamorphescondensé,ordonnéàsolidescristallins
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Introduction
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Introduction
Changementsd’étatUnchangementd'étatestunetransitiondephaselorsdupassaged'unétatdelamatièreàunautre.
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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
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L’étatgazeux
L'étatgazeuxsecaractériseparsonaspectnoncondensé.Ilapourcetteraisondespropriétésparticulières,quisontliéespourunepartimportanteàl'espacemententrelesmoléculesouatomesquileconstituent.Cespropriétésétantrelativementsimples,ellesontpermisauxpremierschimistesdel'époquemoderne(Proust,Dalton,Gay-Lussac,Avogadro…)dedécouvrirdesnotionsfondamentalessurlastoechiométrie,lesmoléculesetlesatomes...
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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.
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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
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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
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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.
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L’étatgazeux
451F:pointd’auto-inflammationdupapier.Quelestl’équivalenten°C?
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L’étatgazeux
VariablesmacroscopiquesLes3caractéristiquesfondamentalesd’ungaz,appeléesvariablesd’état,sont:
Pression(P),Température(T),Volume(V)
Unitésd’unvolumeL'unitédevolumedanslesystèmeinternationalestlemètrecube(m3).1m3=1000L.
Conditionsnormalesdetempératureetdepression(CNTP)Latempératureestfixéeàunevaleurditetempératurenormalede0°CLapressionestfixéeàunevaleurditepressionnormalede1atmConditionsstandardsdetempératureetdepressionLatempératureestfixéeàunevaleurditetempératurestandardde25°CLapressionestfixéeàunevaleurditepressionnormalede1atm
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L’étatgazeux
TransformationISOTHERMELatempératureTestfixe
SiT=csteàPV=csteLoideBoyle-Mariotte(1660)Àdémontrer:leproduitPValadimensiond’uneénergie
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L’étatgazeux
TransformationISOBARELapressionPestfixe
SiP=csteàV/T=csteLoideGay-Lussac/CharlesAttention:cecin’estvérifiéquelorsquelatempératureTestpriseparrapportàunzéroabsolu,etdoncexpriméeenKelvin.C'estjustementenfaisantcesexpériencessurlesgazquel'onapudéfinircettenotiondetempératureabsolue
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L’étatgazeux
TransformationISOCHORELevolumeVestfixe
SiV=csteàP/T=cste
Résumé
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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
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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
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L’étatgazeux
DescriptionmicroscopiquedesgazUngazestconstituédemolécules(oud'atomesisolés)séparéeslesunesdesautrespardesdistancesbiensupérieuresàleurspropresdimensions.Levolumedesseulesmoléculesestfaibledevantlevolumetotal.Exemple:O2CNTP:levolumedesmoléculesprésentesdans1000litresreprésenteenviron2,5litres.Lesmoléculesdegazsontaniméesd'unmouvementd'agitationtrèsrapideetcomplètementdésordonné.Ellesseheurtententreellesetleursmouvementssemblentaléatoires.
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L’étatgazeux
AgitationthermiqueetpressionLapressionexercéeparungazsuruneparoiprovientdelasommedeschocsdechaquemoléculesurcetteparoi.Lorsqu'onréduitlevolumed'ungaz,alorslafréquencedescollisionsestplusforte,donclapressionaugmente.- Plusilyademoléculesparunitédevolume,plusilyadechocs:lapressionPest
proportionnelleàlaconcentrationC
- Plusl'énergiedugazestimportante,pluslapressionaugmente:ilyaproportionnalitéentrePetEcetdoncentrePetT.
P=kCTD’aprèslaloidesgazparfaits,k=R,d’oùP=RCT
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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
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L’étatgazeux
MélangedegazparfaitsLefaitquelesgazsoientsipeudensesleurpermetdesemélangerentreeuxentoutesproportions.Pourdécrirelesmélanges,onutiliselanotiondefractionmolaire:
xG=nG/ntot=CG/CtotUnefractionmolairen’apasd’unités.Onpeutl’exprimeren%.Lasommedesfractionsmolairesestégaleà1(ou100%).
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L’étatgazeux
Exemple:compositiondel’airà20°CAirsec
Airhumide
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L’étatgazeux
LoideDaltonLespropriétésdesgazparfaitsnesontpasliéesàlaformeetlatailledesmolécules.Enparticulier,lapressiontotaled'ungazestliéeuniquementàlaquantitétotaledemolécules:
Ptot=CtotRT=C1RT+C2RT+C3RT…
P1=C1RT=pressionpartielledugaz1
LapressionpartielleP1estlapressionqu'exerceraitl'espèce1sielleoccupaitseulelevolumetotal.Lapressiontotaleestlasommedespressionspartiellesdesconstituantsdumélange.
Ptot=ΣiPiavec Pi=xiPtot
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L’étatgazeux
Densitéd’unmélangeLamassemolairemoyenned’unmélangedépenddesfractionsmolairesetdelamassemolairedeconstituant:
<M>=ΣixiMi
Massemolairemoyennedel'airsec<M>=29g.mol-1(Aretrouveràpartirdestableauxdecompositiondel'air).
ρmélange=n<M>/V=P<M>/RT
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L’étatgazeux
GazréelsLemodèledugazparfaitestunebonneapproximationlorsquelapressionestfaible,etquelatempératureloindelatempératured'ébullition.En1873,lechimisteallemandVanderWaalsproposedeuxcorrectionsàlaloidesgazparfaits:1.Levolumeoccupéparlesmoléculesdegazn’estpastotalementnégligeabledevantlevolumetotal,surtoutàfortepressionoufaibletempérature.CettecorrectionconsistedoncàretirerauvolumeVdelaloidesGazParfaitsunvolumenondisponibleVb,appelécovolume,quiestliéauvolumedesmoléculeselles-mêmes:
Vréel=V–nVb
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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L’étatliquide
Additivitédesvolumes
Lorsd’unmélange,lamassetotaleseconserve(onnechangepaslenombredemolécules),maispasforcémentlevolumetotal.Exemple:mélangeéthanol+eau
100ml[éthanol]+100ml[eau]<200ml[mélange]
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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.
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L’étatsolide
Solidesamorphesetcristallins
Solidesamorphespeuventêtreobtenuspar:àRefroidissementbrutald’unliquidelesmoléculesn’ontpasletempsdeprendreleurpositiond’équilibreetnerespectentaucunordreàmoyenneetgrandedistanceàSolidificationdeliquidesvisqueuxdéplacementdesmoléculeslentparrapportàlavitessederefroidissementExemplesdesolidesamorphes
LesmatièreplastiquesLeverre(obtenuparsolidificationdelasilicefondue)
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L’étatsolide
Solidesamorphesetcristallins
Solidesamorphes- Massevolumiqueplusfaiblequelescristaux- Propriétésisotropes
invariancedespropriétésenfonctiondeladirection- Pasdefusionfranche
ramollissementprogressifsousl’augmentationdelatempératureSolidescristallins- Empilementrégulierd’atomesoudemolécules.Structurespériodiques- Propriétésisotropesouanisotropes- Pointdefusionbiendéfini