Article sur les phases de la matière (basé sur les propriétés microscopiques)
Dans la vie de tous les jours, nous rencontrons fréquemment trois états de la matière : les solides (pierres, fer, etc.), les liquides (eau, essence, etc.) et les gaz (air, etc.). On peut distinguer ces trois états selon leur capacité à conserver leur forme et leur taille.
Les solides conservent généralement une forme et un volume fixes. Les liquides, quant à eux, ne conservent pas de forme propre, mais s'adaptent au récipient qui les contient. Par exemple, si l'on verse de l'eau dans un verre, sa forme se modifie. De même, si l'on verse de l'eau dans une baignoire, sa forme se modifie. Le volume d'un liquide est généralement toujours constant. Si l'on place un verre d'eau dans une baignoire, la quantité d'eau reste la même. La forme de l'eau peut changer, mais son volume ne varie jamais. Il est important de noter que le nombre de particules solides et liquides peut varier sous l'effet d'une force suffisante.
Qu'en est-il des gaz ? Les gaz n'ont ni forme ni volume fixes. Leur forme et leur taille s'adaptent toujours à celles du récipient qu'ils occupent. Par exemple, lorsqu'on gonfle un pneu de voiture, les variations de volume des gaz sont similaires à celles d'un pneu dans un véhicule. Il en va de même pour le volume. Dans un pneu, les gaz se répartissent pour remplir tout son espace. Dans ce cas, la quantité de gaz varie comme le volume d'un pneu. Si l'on gonfle un ballon (en y injectant de l'air), la forme et le volume de l'air se modifient, à l'image de la forme et du volume du ballon.
Jusqu'à présent, nous n'avons distingué les trois états de la matière que selon leurs propriétés macroscopiques (c'est-à-dire la forme et la taille de la substance). Bien sûr, cette distinction repose sur nos mesures et observations quotidiennes. Nous allons maintenant examiner les différences entre ces trois états de la matière en nous basant sur leurs propriétés microscopiques. Chaque substance est constituée d'atomes ou de molécules. Lorsqu'on dit qu'une roche est stable, on ignore ce qui se passe au niveau des atomes ou des molécules qui la composent et qui lui permettent de se solidifier. Il en va de même pour l'eau. Qu'est-ce qui se passe au niveau des atomes ou des molécules qui forment des gouttelettes et donnent à l'eau son état liquide, sans que l'atmosphère soit visible ?
Formes de substances basées sur des propriétés microscopiques
Avant d'aborder les différences entre les solides, les liquides et les gaz en fonction de leurs caractéristiques microscopiques, prenons l'exemple d'un objet : les pierres. Si l'on observe attentivement le sable, on constate que chaque partie de la pierre est solidaire. Même si on la heurte ou la jette, sa forme et sa taille restent inchangées. Généralement, tous les éléments de la pierre forment toujours un seul bloc. Pourquoi ? Prenons un instant pour y réfléchir.
À l'intérieur d'une pierre, il y a des atomes ou des molécules. Imaginez maintenant une roche. Essayez d'imaginer que le sable est composé de petits grains. Plus on avance, plus les grains de roche deviennent petits. Imaginez les atomes comme des sphères minimales. Les molécules, quant à elles, sont constituées de plusieurs sphères agglomérées.
Dans une roche, il existe une multitude de molécules ou d'atomes, même à l'échelle nanométrique. Pouvez-vous imaginer le nombre d'atomes présents dans une pierre ?
Le diamètre d'un atome est d'environ 10⁻¹⁰ m . Si on imagine un atome comme une sphère, son diamètre est alors de 10⁻¹⁰ mètres . C'est minuscule et imperceptible à l'œil nu… seulement imaginable. Les molécules sont des atomes liés entre eux ; leur taille est donc bien plus importante que celle d'un atome. Mais elles aussi sont invisibles à l'œil nu.
Si les atomes ou les molécules ne sont pas regroupés en une seule unité, il est évident que toutes les parties de la pierre ne sont pas liées entre elles. Chaque morceau de roche est lié aux autres, ce qui lui confère sa forme solide. Pourquoi les atomes ou les molécules ne se séparent-ils pas ?
En effet, les atomes ou molécules s'attirent mutuellement. S'ils ne s'attiraient pas, ils se disperseraient dans tous les sens. Chaque atome ou molécule se séparerait d'un autre. Ainsi, les morceaux de pierre seraient éparpillés. Les fragments de roche seraient également dispersés, et nous ne pourrions pas les voir. Les morceaux de pierre sont eux aussi composés d'atomes ou de molécules. La taille des atomes est infime, donc s'ils étaient séparés, nous ne pourrions évidemment pas les voir… Mais la réalité est différente.
La pierre paraît solide, chaque partie étant bien solidaire. On peut donc en conclure que les atomes ou molécules qui constituent les objets solides s'attirent mutuellement.
La force d'attraction entre atomes ou molécules est une force électromagnétique. La présence de ces forces d'attraction rapproche les atomes ou les molécules. Lorsqu'une collision se produit, les électrons de la couche électronique externe de l'atome ou de la molécule se repoussent (répulsion électrique). La distance ainsi créée provoque un recul des atomes et des molécules. Malgré ce recul, l'attraction les ramène l'un vers l'autre. Les atomes ou les molécules effectuent alors un mouvement de va-et-vient (vibration) tout en maintenant une distance minimale.
La différence entre les solides, les liquides et les gaz, basée sur leurs propriétés microscopiques réelles, réside dans la force ou la faiblesse de l'attraction entre les atomes ou les molécules de ces trois substances.
Solide
Dans les solides, les forces d'attraction entre les atomes ou les molécules sont si importantes que ces derniers restent toujours dans une position fixe. Les atomes ou les molécules des solides effectuent un mouvement de va-et-vient (vibration), mais ils vibrent toujours au même endroit.
La force d'attraction entre les atomes ou les molécules de ces solides explique pourquoi leur forme et leur volume restent constants. Même projetés ou heurtés, les cailloux ou les métaux conservent difficilement leur forme, car les forces d'attraction entre leurs atomes ou molécules sont très importantes. Lorsqu'on place des pierres ou du métal dans un seau ou une baignoire, leur volume reste inchangé. Ainsi, la forte attraction entre les atomes ou les molécules qui composent ces solides leur permet de conserver leur structure et leur confère leur aspect solide.
La disposition des atomes ou des molécules qui constituent les solides est semblable à l'image (également appelée réseau cristallin) représentée ici, agrandie. Les atomes ou les molécules sont minuscules.
Liquid
Dans les liquides, la force d'attraction entre les atomes ou les molécules est plus faible, ce qui leur permet de se déplacer librement et de se chevaucher. Les atomes ou molécules qui constituent le liquide peuvent donc se mouvoir librement, mais ils ne peuvent se séparer complètement. L'intensité de l'attraction les empêche néanmoins d'être dispersés.
La raison est simple : la forme d'un liquide peut changer, mais son volume reste constant. Lorsqu'on verse de l'eau dans un verre, la force d'attraction entre les atomes ou les molécules est insuffisante pour que l'eau prenne la forme du verre. En revanche, lorsqu'on verse de l'eau dans une baignoire, la force d'attraction encore plus faible entre les atomes ou les molécules fait que l'eau épouse la forme de la baignoire. Le volume d'un liquide demeure constant car la force d'attraction entre les atomes ou les molécules est suffisante pour les maintenir liés. Les atomes ou les molécules qui composent l'eau ne sont pas dispersés, ce qui explique la constance du volume.
La position de l'atome ou de la molécule constituant le liquide, comme sur l'image (la flèche indique le sens du mouvement).
Gaz
Dans les gaz, l'attraction entre les atomes ou les molécules est faible. Ils se déplacent librement car il n'existe aucune liaison entre eux. Cette faible attraction explique la dispersion des atomes ou des molécules qui constituent le gaz. Les atomes d'un gaz sont plus libres que ceux qui constituent un solide ou un liquide.
La position des atomes ou molécules qui forment un gaz est représentée sur la figure.
C’est une attraction ténue qui explique pourquoi la forme et le volume d’un gaz peuvent changer, et pourquoi l’œil ne peut pas voir l’air. La taille des atomes ou des molécules est si petite que s’ils étaient dispersés partout, nous ne pourrions pas les voir. La taille des grains de sable ou de sucre est bien supérieure à celle des atomes ou des molécules ; ainsi, même dispersés, les grains de sable restent visibles à l’œil nu, bien que cela soit parfois difficile.
Les substances solides et liquides sont visibles car leurs atomes ou molécules ne sont pas dispersés. L'attraction entre les substances solides et gazeuses est suffisante pour les maintenir liées. Dans un gaz, cette force d'attraction est si faible qu'elle ne permet pas aux atomes ou molécules de rester liés. C'est également cette faible attraction qui permet aux gaz et aux liquides de s'écouler.
