Chapitre 1 Etats physiques et transformations de la matière

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1 1-Les objectifs du chapitre Chapitre 1 Etats physiques et transformations de la matière Ce que je dois connaître Les états de la matière: gaz, liquide, solide, solide cristallin, solide amorphe et solide semi-cristallin, variétés allotropiques. Notion de phase. Les transformations physiques, chimique, nucléaire. Les transformations physiques: diagramme d'état (P,T) Ce que je dois savoir faire Savoir reconnaître la nature d'une transformation. Savoir déterminer l'état physique d'une espèce chimique pour des conditions expérimentales données de P et T.

2 2-Je maîtrise l essentiel du chapitre I-Etats de la matière a-etat solide Solide(cristallin, amorphe, variété allotropique) Dans l'état solide, les constituants microscopiques (atomes, ions, molécules,...) sont à une place bien déterminée avec des oscillations de faible amplitude autour de leur position à cause de l'agitation thermique. Dans les solides cristallins, les entités de matière sont ordonnées périodiquement. Dans les solides amorphes (état vitreux, ex: le verre), les entités sont disposées aléatoirement: la structure ordonnée n'existe pas. Le polymorphisme: c'est la possibilité qu'a une substance de cristalliser dans des structures cristallines différentes selon les conditions ambiantes de températures et de pression. Les différentes structures cristallines dans lesquelles le corps pur peut cristalliser s'appellent ses variétés allotropiques. (Ex: les variétés allotropiques du carbone (corps pur) sont: graphite, diamant, les fullerènes, les nanotubes... VARIETES ALLOTROPIQUES DU CARBONE GRAPHITE DIAMANT FULLERENES NANOTUBES

3 ETAT SOLIDE Etat cristallin Etat amorphe ou vitreux Organisation périodique dans l espace Pas d organisation à longue distance Anisotrope Isotrope Fusion bien définie Fusion mal définie

4 b-etats fluides : liquide et gaz Etat liquide manifestation de l'agitation thermique: mouvements de translation, rotation vibration de faible amplitude. déplacement libre des particules par diffusion mais particules voisines les unes des autres. état condensé isotrope, volume propre, pas de forme propre. faible compressibilité et densité assez élevée. Etat gazeux Agitation thermique importante: mouvements de translation, rotation et vibration de forte amplitude. système totalement désordonné: indépendance des particules de matière les unes des autres. isotrope, ni forme propre, ni volume propre, état dispersé (occupe l'espace offert) grande compressibilité et faible densité. Etat de fluide supercritique L'état supercritique présente un comportement intermédiaire entre l'état liquide et l'état gazeux: une masse volumique élevée (comme les liquides), un coefficient de diffusion intermédiaire entre celui des liquides et des gaz, et une faible viscosité (comme les gaz) Un exemple de fluide supercritique: le CO 2 supercritique Fréquemment utilisé en raison de sa facilité d'obtention Température critique: 31 C Pression critique: 73 bars Propriétés économiques et écologiques intéressante: non imflammable, non toxique,peu cher, sans coût d'élimination exemple d'application : utilisé comme "solvant" d'extraction de la caféine pour obtenir un café décaféiné sans reste de solvant organique.

5 C-Le «quatrième» état de la matière : le plasma état plasma Formé d'atomes excités, d'ions et d'électrons: c'est l'état ionisé de la matière. constitue 99% de la matière visible de l'univers: les étoiles (le Soleil) sont des plasmas, observable sur Terre dans les éclairs, les flammes ou aurores boréales. état où la température de la matière peut atteindre plusieurs millions de degrés.

6 d-autres états «exotiques» de la matière Les états mésomorphes (cristaux liquides) état de la matière qui combinent certaines propriétés des liquides et certaines propriétés des solides cristallins. se sont des liquides constitués de molécules organiques de formes particulières (disques, bananes ou bâtonnets) qui peuvent adopter une orientation bien précise Utilisation des propriétés optiques pour les affichages (LCD: liquid crystal display)

7 e-notion de phase Une phase: définition Région de l'espace où toutes les grandeurs intensives sont des fonctions continues des coordonnées de l'espace. Exemples de phases Un mélange de gaz: constitue une seule phase gaz. Deux liquides miscibles (eau et éthanol): constitue une seule phase Deux liquides non miscibles (huile et eau): constituent deux phases Solides: il y a autant de phases que d'espèces chimiques solides différentes. Cas des alliages (ex: acier): ce sont des solutions solides qui ne constituent qu'une seule phase.

8 II-Les transformations de la matière Transformations physiques concernent les changements entre états solides, liquides et gazeux. consistent à rompre des liaisons intermoléculaires. énergie mises en jeu: de l'ordre d'une dizaine de kj.mol -1 Transformations chimiques Concernent les changements de structure des espèces chimiques constituant la matière. s'intéressent aux échanges électroniques ou les ruptures de liaisons covalentes (intramoléculaires) énergie mises en jeu: plusieurs centaines de kj.mol -1. Transformations nucléaires Concernent les changements au niveau des noyaux atomiques dont la cohésion est assurée par les interactions fortes. énergie mises en jeu: de l'ordre du GJ.mol -1.

9 Les différents types de radioactivité, α, β +, β, γ La radioactivité définition Certains noyux naturels ou créés artificiellement sont instables. Leurs nombres de masse A et/ou leurs nombres de charges Z évoluent dans le temps. Ils sont dits "radioactifs". Un noyau radioactif se désintègre pour donner un noyau fils avec émission d'une particule. cette transformation s'appelle la radioactivité. radioactivité α A Z X A 4 Z 2 Y He La radioactivité α correspond à l émission d un noyau d hélium 4 2 He appelé particule α (rayonnement ionisant, dangereux mais arrêté rapidement) radioactivité β Z A X Z+1 A Y e La radioactivité β correspond à l émission d un électron 1 0 e appelé particule β (particules pénétrantes mais facilement arrêtée). Le noyau fils appartient à l élément qui se trouve une case après le noyau père dans la classification. radioactivité β + A Z X A Z 1 Y e La radioactivité β + correspond à l émission d un positon 0 1 e appelé particule β + (durée de vie courte car s annihile avec les électrons de la matière) 0 1 e e γ La désexcitation γ La désexcitation γ correspond à l émission d un photon γ (très pénétrant, difficile à arrêter (utilisation de protection en plomb) Z A Y Z A Y + γ

10 Exemple pour chaque type de radioactivité Exemple : le radon est émetteur α Rn 84Po + 2He Exemple : le cobalt 60 est émetteur β Co 28Ni e Exemple : le phosphore 30, obtenu pour la première fois par Irène et Frédéric Joliot-Curie en 1934 est émetteur β + : Si + e 15P A A ZY Z Y + γ Exemple : désexcitation gamma. Réactions nucléaires provoquées : fusion et fission nucléaire La fission nucléaire Définition :La fission nucléaire est une réaction nucléaire dans laquelle un noyau lourd, appelé noyau fissile (ex : le noyau d uranium 235) donne naissance à deux noyaux plus légers sous l effet d un choc avec un neutron. Exemples : 0n U Sr + 54Xe n 0n U Kr + 56Ba n La fusion nucléaire Définition : Il y a fusion nucléaire lorsque deux noyaux légers s unissent au cours d un choc pour former un noyau plus lourd. Exemple : la fusion d un noyau de deutérium et d un noyau de tritium H + 1 H 2He + 0 n

11 III-Diagramme de phases du corps pur (cas de l eau) obtention du diagramme de phases Sous la presssion atmosphérique, la glace (solide) fond à la température de fusion (Tf=0 C) et l'eau (liquide) se vaporise à la température d'ébullition Teb = 100 C. Ces températures de changement d'état dépendent de la pression. Ainsi le tracé des courbes d'évolution de ces températures de changement d'état en fonction de la pression délimite trois zones dans le diagramme: ce sont les domaines de stabilité des phases solide liquide et gaz. point particulier: le point triple Le point triple T est le seul point du diagramme pour lequel les trois phases peuvent coexister à l'équilibre. Pour l'eau P T = 6mmbar et T T = 0,01 C. un autre point particulier: le point critique C Au -delà du point critique C, il n'y a plus de distinction entre le liquide et la vapeur. on parle de fluide supercritique. pour l'eau: P C = 220bar et T C =370 C

12 Diagramme de phases du corps pur eau. Remarques: Pour l eau, la pente de l équilibre solide-liquide est négative. En général, cette pente est positive. Le long de la courbe d équilibre liquide-vapeur, P(T) est appelée pression de vapeur saturante, car le liquide et sa vapeur saturante coexistent.

13 3-Pour bien réussir ma question de cours à ma colle de chimie 1-Définir les différents états de la matière (solide (cristallin, amorphe, variété allotropique), liquide, gaz, mésomorphe, plasma) 2-Définir la notion de phase- phase homogène-phase hétérogène phase uniforme. Citer des exemples dans chaque cas. 3-Définir les transformations physique, chimique et nucléaire. Donner les caractéristiques de chaque transformation et citer un exemple. 4-Donner le diagramme (P,T) d équilibre de changement d état de l eau (diagramme de phases) et le commenter. 5-Définir la radioactivité. Décrire les quatre types de radioactivité. Définir les termes de fission et fusion nucléaire.