Les différents états de la matière et transformations

S1 – États de la matière et transformations

Activité 1 – Atomes, molécules, moles

Tout ce qui nous entoure, (air, nature, eau, nourriture, vêtements, appareils électriques, ordinateurs etc...) est de la matière. Elle est constituée de milliards de milliards de milliards d'atomes. Les principaux atomes sont, par masse croissante, les atomes d'hydrogène (H), de carbone (C), d'azote (N) et d'oxygène (O).

1. Des atomes aux molécules

Ces atomes ne restent pas isolés et se relient entre eux pour former entre autres des molécules, comme par exemple :

• Les molécules d’eau : H2O, contient 2 atomes d'hydrogène (H) et un atome d'oxygène (O);
• Les molécules de dioxyde de carbone :CO2;
• Les molécules de glucose : C6H12O6, contient 6 atomes de (C), 12 atomes de (H), 6 atomes de (O);
• Les molécules de méthane : CH4.

1. Des molécules aux moles[pic 1]

Un morceau de sucre blanc est formé d’environ 5,10 puissance 22 molécules identiques de saccharose, de formule brute C12H22O11. Ce n’est pas pratique de compter autant de molécules !

Un carré de sucre = 5 000 000 000 000 000 000 000 molécules de saccharose.

En fait les chimistes ne les comptent pas une par une mais paquet par paquet, un peu comme nous, nous ne comptons pas le sucre grain par grain, mais paquet par paquet. Ce paquet de molécules est appelé « mole » et il correspond à un nombre bien précis de molécules (ou de tout autre élément) : ce nombre, c’est 6,02.10 puissance 23.

• Un paquet de molécules de saccharose, soit une mole de saccharose, contient 6,02.10 puissance 23 molécules de saccharose.
• Un paquet de molécules d’eau, soit une mole d’eau, contient 6,02.10 puissance 23 molécules d’eau.

1. Masse molaire : masse d'une mole

A – Masse molaire atomique : c'est la masse d'un mole d'atomes identiques

Son symbole est (M). Elle s'exprime en (g.mol puisssance -1)

Cette masse dépend du type d’atomes :

Une mole d'atomes d'hydrogène a une masse de 1g.[pic 2]

B – Masse molaire moléculaire : c'est la masse d'une mole de molécules identiques

Elle s'obtient en additionnant la masse molaire de chacun de ses atomes.[pic 3]

Activité 2 – Les 3 états physiques de la matière

1. Les 3 états de la matière

La matière se présente sous trois états, solide, liquide et gaz caractérisés pour un même corps par une masse volumique différente.

Un corps solide a une forme propre et un volume pratiquement invariable. Des forces intermoléculaires maintiennent les particules les unes par rapport aux autres à des distances et des positions définies. Un liquide a un volume propre, mais il n’a pas de forme propre (il prend la forme du récipient). Les particules interagissent encore entre elles mais elles glissent les unes par rapport aux autres et possèdent une certaine liberté de mouvement. Un gaz n’a ni forme propre, ni volume propre. Dans l’état gazeux, il n’y a quasiment aucune interaction entre les particules : elles sont en mouvement perpétuel, occupant tout l’espace disponible. Pour passer d’un état cohérent ou organisé à un état qui l’est moins, il faut fournir l’énergie nécessaire pour rompre les interactions qui les lient. C’est le changement d’état.[pic 4]

1. Passer d'un état à un autre : le changement

On appelle changement d’état, le passage d’un corps pur d’un état physique à un autre.

A – Évolution de la température et du volume pendant le changement d'état[pic 5]

Lorsque l'on chauffe de l'eau liquide : la température de l'eau augmente jusqu'à 100°C. Puis l'eau se vaporise, et la température n'augmente plus : ne peut pas se réchauffer et se vaporiser en même temps.
Sous pression constante, les changements d'état d'un corps pur se font à température constante.

On peut ainsi définir, les températures de fusion (ou solidification), d'ébullition (ou liquéfaction) et de sublimation (ou condensation). Ces températures dépendent de la nature du corps et de la pression (atmosphérique).

Pendant le changement d'état, le volume varie

En général, la fusion s’accompagne d’une augmentation de volume, et la solidification d’une contraction de volume. La vaporisation s’accompagne d’une augmentation de volume considérable, et la liquéfaction d'une contraction importante du volume.

B – Énergie mise en jeu

Lorsqu'un corps passe d'un état ordonné à un état qui l'est moins, il faut fournir de l'énergie : celle-ci n'augmente pas sa température (qui reste constante pendant tout le changement d'état), mais permet de modifier son état physique.

Cette énergie appelée chaleur latente.

Elle est appelée latente car c'est l'énergie qui est libérée si le corps revient ensuite dans son état ordonné initial.

Activité 3 – Changements d'état de l'eau

        1. Conditions du passage de l'eau liquide à l'eau gaz

La vaporisation, qui est le changement d'état de l'eau liquide à l'eau vapeur peut se faire de deux manières.

A – Par évaporation (phénomène de surface)

Un liquide laissé à l'air libre subit la pression atmosphérique de l'air, qui appuie sur sa surface. Certaines molécules d'eau du liquide ont une énergie suffisamment grande pour briser la force d'attraction avec les autres molécules et vaincre cette pression : elles sortent du liquide et deviennent une vapeur.

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