Structures de la matière

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1 Themodynamique - Stuctues de la matièe 1 Stuctues de la matièe Les stuctues de bases: La matièe est un mélange d espèces chimiques (ai pu = azote + oxygène + eau + dioxyde de cabone + gaz aes). L espèce chimique est nommée cops pu, identifié pa ses popiétés chimiques et physiques. Le cops pu est constitué pa un ensemble de mêmes molécules. La molécule est la plus petite patie d un cops pu et possède l intégité de ses popiétés chimiques. Elle est constituée d un assemblage d atomes. (eau, oxygène ou dioxygène, agon...) Il existe dans la natue 92 atomes difféents coespondant à 92 espèces chimiques fondamentales que l on nomme Eléments. Les autes éléments synthétisés ne sont pas encontés dans les conditions physiques actuelles de l'existence de l'unives.

2 Themodynamique - Stuctues de la matièe 2 L atome est constitué de paticules chagées électiquement: un noyau positif entoué pa des électons négatifs. Ruthefod (1910) a poposé, pou l atome, le modèle sphéique en couches: 6 électons - 2 électons Noyau Atome d'oxygène L ensemble des popiétés chimiques de l élément, et une majeue patie des popiétés physiques, sont gouvenés uniquement pa les électons extéieus. Le noyau lui même se ésout en paticules plus élémentaies. Dans un pemie temps on distinguea les nucléons, c est à die les potons qui potent les chages positives et les neutons sans chages. L étude du noyau atomique est l objet de la physique nucléaie. La physique des paticules a en aute pou objet, l étude des stuctues fines du noyau ( pions, quaks, gluons,...).

3 Themodynamique - Stuctues de la matièe 3 Les liaisons atomiques: Les atomes s associent pou fome des molécules. Etant les uns et les autes constitués de chages électiques, l édifice moléculaie a besoin de moins d énegie que l ensemble des atomes pis sépaément. Cette edistibution spatiale des chages électiques se fait uniquement su les électons extéieus de l atome. Les noyaux ne sont pas affectés dans les éactions chimiques (éactions ente molécules ou atomes). On distingue tois gandes catégoies de liaisons ente atomes. La liaison covalente est une mise en commun d électons péiphéiques au niveau d une molécule. C est le cas pa exemple de l eau: Obitales électoniques Noyau d'oxygène Noyaux d'hydogène Molécule d'eau: H 2 O La molécule est électiquement neute, mais la épatition non sphéique des chages, engende un moment dipolaie. Les tois phases (solide, liquide et gazeuse) existent dans cette configuation.

4 Themodynamique - Stuctues de la matièe 4 La liaison ionique est un pêt d électons péiphéiques. C est le cas du sel de cuisine, Chloue de sodium, Na Cl: atome de Sodium 2 électons atome de Chloe 8 électons Na + 1 électon Cl 7 électons cation Sodium: Na + anion de Chloe: Cl - Na Cl 8 électons Molécule de chloue de sodium: Na Cl La nécessité, d une poximité spatiale des ions de chages difféentes, implique l existence exclusive des phases solide et liquide. Notons que seule la phase liquide conduit l électicité.

5 Themodynamique - Stuctues de la matièe 5 La liaison métallique est une mise en commun d électons péiphéiques pou l ensemble de l échantillon de métal, comme pa exemple le cuive: électons péiphéiques Moceau de ive solide Les électons se déplaçant libement dans l édifice métallique, on obseve pou les métaux, une gande conductivité électique. Sous cette fome le cuive ()n existe sous les phases solide et liquide.

6 Themodynamique - Stuctues de la matièe 6 Les foces de Van de Waals: Dans le cade des liaisons covalentes, les molécules fomées sont affectées d un moment électique dipolaie. On démonte statistiquement que la foce moyenne, ente deux dipôles d oientations quelconques, est attactive et de la fome: = k F int 7 Evidemment à coute distance, la épulsion des électons l empote et l énegie potentielle d inteaction a l allue suivante: E p () : potentiel d'inteaction binaie ente molécules zone épulsive zone attactive La patie attactive, due à l effet dipôle, est une loi, à gande distance, d énegie potentielle en: U 1 6 Pou des molécules non sphéiques: U= U(, θ, ϕ) mais la dépendance en este la même.

7 Themodynamique - Stuctues de la matièe 7 Les tois pincipaux états de la matièe: Dans des conditions de tempéatue non extèmes, on enconte un cops pu sous tois fomes: solide, liquide et gazeuse. Dant l état solide, la distance ente les molécules est autou de celle du fond de puits de potentiel: E p Distances intemoléculaies d'un SOLIDE Vibation dans le fond du puits Pa conséquent, dans la matièe solide les molécules admettent des positions moyennes odonnées: Stuctue solide

8 Themodynamique - Stuctues de la matièe 8 L état solide est donc pa définition cistallisé. Cependant, on obseve des solides amophes qui n ont pas de stuctues odonnées, il sont métastables (vees). Leus aangements moléculaies s appaentent à ceux des liquides. Dans l état liquide la distance moyenne ente les molécules est plus gande que pou le solide coespondant: E p Distances intemoléculaies d'un LIQUIDE Foces toujous attactives Les foces attactives, assuent la cohésion d un liquide, même en apesanteu. L existence de phénomènes de suface tès impotants (tension supeficielle), en est une conséquence. Les distances intemoléculaies des solides et des liquides sont du même ode de gandeu. Les densités coespondantes seont donc dans le même cas. Pou l état gazeux les densité sont beaucoup plus faibles et donc aussi les foces intemoléculaies. Comme pou le liquide, le gaz pésente une stuctue désodonnée. On nommea gaz

9 Themodynamique - Stuctues de la matièe 9 pafait un gaz où les foces intemoléculaies sont considéées comme nulles: E p Distances intemoléculaies d'un GAZ Gaz dense Gaz pafait Foces nulles Foces toujous attactives Dans un gaz, l action des foces d inteactions n a plus l effet aussi impotant que pou les liquides. Ces foces inteviennent pou coige le modèle du gaz pafait.

10 Themodynamique - Stuctues de la matièe 10 Pou écapitule, epésentons les difféentes stuctues moléculaies des états de la matièe couamment encontées: Stuctue solide Stuctue liquide Stuctue gaz dense Stuctue gaz pafait