Solides, Liquides et Gaz Un de nos sujets d intérêt est la matière. Nous entamons l exploration des propriétés mécaniques, thermiques, électriques, magnétiques et optiques de la matière. Nous commencerons par un aperçu du paysage atomique (sur lequel nous reviendrons en fin de cours) Ensuite nous explorerons les différents états de la matière les solides les liquides et gaz, appelés Fluides Université de Genève 9-1 C. Leluc
Atomes et matière On connait aujourd hui 110 matériaux de base, appelés éléments (oxygène, fer, hydrogène...). Un échantillon d un élément donné est composé d entités identiques submicroscopiques, appellées atomes, chacun étant le plus petit échantillon représentatif de l élément. Lorsque les éléments différents se combinent, on obtient des corps composés. L entité fondamentale d un corps composé, c-à-d celle qui a les propriétés chimiques du composé, est une molécule, elle-même composée d atomes (p.e NaCl, H 2 O). Certains gaz comme l Hélium (He) et l Argon (Ar) sont monoatomiques (leurs molécules sont des atomes individuels), tandis que l oxygène et l azote sont diatomiques (O 2, N 2 ). Université de Genève 9-2 C. Leluc
Le Nombre d Avogadro La masse des atomes et des molécules s exprime souvent en unité de masse atomique uma ou u. Par définition on attribue très précisément à un atome neutre de 12 6 C 6, la masse 12u. Par rapport au gramme : 1 uma = 1, 660540 10 24 g Pour un atome : 1 1H : 1, 007825 u, 16 8 O 8 : 15, 994915 u. Pour une molécule : masse moléculaire est la somme des masses des atomes constituant la molécule (p.e CO 2 = 12 + 2 15, 994915u 44u). Une mole est la quantité de substance dont la masse en grammes est numériquement égale à la masse moléculaire exprimée en uma. 1 mole C pèse 12 g = 12 u nb d atomes 1 mole CO 2 pèse 44 g = 44 u nb de molecules Une mole de CO 2 contient donc le même nombre de molécules qu une mole de C ou qu une mole de n importe quelle autre substance N A = 6, 022 10 23 molecules.mole 1 le nombre d Avogadro De faco n plus générale, même si les particules d une substance sont des ions ou des atomes plutôt que des molécules, ou même un mélange de différentes particules, une mole contient toujours N A particules. Université de Genève 9-3 C. Leluc
Masse volumique et Densité la masse volumique en kilogramme/m 3 ρ = m V 1 g/cm 3 = 1 10 3 kg (1 10 2 m) 3 = 103 kg/m 3 densité La densité représente le rapport entre la masse volumique d une substance à celle de l eau à 4 C. Il s agit d une valeur absolue, sans dimension, ni unité. Comme ρ eau = 1, 00g/cm 3, la densité de n importe quelle substance équivaut à l expression numérique de sa masse volumique en g/cm 3. Ainsi la densité du mercure est 13600/1000 =13,6, soit 1 cm 3 a une masse de 13,6 g. Matériau ρ (kg/m 3 ) Air 0 /1 atm 1,29 Air 20 /1 atm 1,21 Air 0 /50 atm 6,5 CO 2 0 /1 atm 1,98 Hélium 0 /1 atm 0,179 Eau(vapeur) 0,598 Eau 4 /1 atm 1000 Eau 4 /50 atm 1002 Eau de mer 1025 Mercure 13600 Alcool 790 Sang 1050 Aluminium 2700 Plomb 11300 Or 19300 Terre(noyau) 9500 Soleil(au centre) 1,6 10 5 Noyau atomique 10 17 Université de Genève 9-4 C. Leluc
Exemple : Masse de l or Soit une sphère pleine en or (masse atomique =197) de diamètre 10cm. La masse volumique de l or est 19, 3 10 3 kg/m 3. Déterminer sa masse?? Son volume V = 4/3πR 3 = (4/3) 3, 1416 (0, 05 m) 3 = 0, 524 10 3 m 3 Avec la masse volumique ρ, on trouve : m = ρ V = (19, 3 10 3 kg/m 3 )(0, 524 10 3 m 3 ) = 10, 1kg = 10100g Combien d atomes contient-elle?? 1 mole d or a une masse de 197 g. Cette sphère est donc l équivalent de :10100/197 = 51,27 mol. Ainsi N = N A 51, 27 = (6, 022 10 23 atomes/mol) (51, 27 mol) N = 3, 1 10 25 atomes Université de Genève 9-5 C. Leluc
Taille des atomes L atome est un ensemble de particules en mouvement et en interaction. C est un objet électriquement neutre. Chaque atome consiste en un noyau très petit et très dense entouré par un nuage d électrons. Le noyau, dont le diamètre est entre 10 4 et 10 5 fois plus petit que celui de l atome, est une boule de protons chargés positivement et neutrons neutres qui se déplacent rapidement, liés par la force nucléaire. Estimation de la taille des atomes dans un solide/liquide en négligeant l espace vide entre eux et en supposant qu ils remplissent tout le volume du corps (ceci est une approximation). Supposons que chaque atome soit un petit cube de volume L 3, la masse volumique d une mole de masse, M m, est : ρ = M m V = M m N A L 3 L = p.e la taille d une molécule d eau vaut : L = 18 g (6.022 10 23 atomes/mole)(1.0 g/cm 3 ) 1/3 M m N A ρ 1/3 = 3 10 8 cm = 0.3 nm Université de Genève 9-6 C. Leluc
Etats de la matière Toute substance peut en principe exister dans quatre états physiques distincts : solide, liquide, gaz ou plasma. C est la balance entre l énergie de cohésion et l énergie thermique qui détermine l état du système. solide : conserve sa forme et son volume. liquide : coule, prend la forme du récipient dans lequel il est placé, mais conserve un volume constant (si incompressible) gaz : coule, se disperse prenant la forme et occupant tout le volume du récipient plasma : mélange d atomes, ions et électrons La liaison chimique est un concept indispensable pour expliquer la cohésion de la matière et elle joue un rôle fondamental dans les propriétés des matériaux. Les forces de liaison sont essentiellement de nature électrostatique. On distingue : les liaisons fortes, énergie de liaison 50-500 kj.mole 1 : liaison métallique, liaison ionique et liaison covalente. Les liaisons faibles, énergie de liaison inférieure à 50 kj.mole 1 : liaison hydrogène et liaison de Van de Waals. Université de Genève 9-7 C. Leluc
Les solides Les atomes d un solide métallique (Fer) se disposent dans une structure ordonnée à trois dimensions, qui se répète un très grand nombre de fois dans chaque direction : un solide cristallin (minéraux, tous les métaux et sels). Les atomes d un solide sont en mouvement, mais ce ne sont que de petits mouvements vibratoires au voisinage de leur position d équilibre. Si une substance est composée d atomes qui ne sont pas disposés d une façon ordonnée et répétitive, le solide est amorphe (caoutchouc, résine, plastiques et divers matériaux vitreux.) Si les atomes sont disposés dans une configuration ordonnée à trois dimensions mais qui ne se répète pas avec une périodicité régulière, le solide est quasi-cristallin (forme de matière découverte en 1983). Les solides composites tels que le bois, les fibres de verre, l os et les vaisseaux sanguins sont composés de plusieurs matériaux différents liés ensemble. Université de Genève 9-8 C. Leluc
Les gaz L alchimiste van Helmont ( 1620) a transposé le mot grec chaos en flamant, obtenant le mot gaz, qui est effectivement un sacré chaos. Chaque cm 2 de peau reçoit un flux de 3 10 23 molécules d air par seconde puisant leur énergie du rayonnement solaire. La masse volumique,ρ, de l air est seulement 1/800 de celle de l eau. Dans CNTP, il y a 3 10 19 molécules d air par cm 3. La distance moyenne entre ces molécules est 3 nm soit 10 fois la taille de la molécule. La vitesse moyenne, sans vent, 450m/s (1620 km/h), mais chaque molécule ne parcourt que 8 10 8 m avant d entrer en collision. Gaz Pourcentage Les gaz ont des propriétés variées : Azote 78,08 N 2, O 2, He, CO 2 : transparents Oxygène 20,95 Cl : jaune, Br : brun-orange Argon 0,9 Ra : radioactif et dangereux, CO : mortel CO 2 0,03 H 2 : explose, CO 2 : éteint Néon 0,002 O 3 : odeur métallique, H 2 S : oeuf pourri Ozone 0,000007 La gravité agit à grande échelle pour confiner un gaz : contraction d un nuage gazeux interstellaire pour former une étoile, retient l atmosphère terrestre. Université de Genève 9-9 C. Leluc
Les liquides L eau et le pétrole sont les seuls liquides existant en grande quantité dans la nature. En fait beaucoup de liquides familiers, comme le sang, le vin, les jus de fruits sont surtout de l eau. Le liquide est un état intermédiaire entre la violence aléatoire du gaz et le calme relatif du solide : il faut trouver le bon équilibre entre l énergie thermique et l énergie de liaison. L aptitude à s écouler, qui est la propriété caractéristique des liquides, varie avec la force de cohésion qui est différente pour chaque substance (acétone, eau, huiles, goudron). La viscosité est la résistance interne ou le frottement qui s oppose au mouvement d un objet immergé dans un liquide. Nous allons regrouper l étude des liquides et gaz, car tous deux sont des substances qui peuvent s écouler, qui se conforment aux limites données par le récipient. On les regroupe sous le terme de FLUIDES. L application des principes de la mécanique newtonienne aux fluides permet de décrire les phénomènes régissant leur comportement. Nous traiterons d abord les Fluides parfaits, c-à-d incompressibles et non-visqueux (l eau peut être considérée comme un tel liquide), puis les fluides visqueux. Université de Genève 9-10 C. Leluc
Transformations d un état dans un autre Lorsqu on chauffe un solide (p.e la glace), ses molécules recoivent de l énergie cinétique sous forme d un mouvement vibratoire additionnel désordonné : elles oscillent plus vigoureusement autour de leur position d équilibre. Si l énergie reçue est suffisante pour surmonter les forces intermoléculaires, le solide fond. A l état liquide, de petits groupements de molécules associées persistent, mais ils se font et se défont au gré des déplacements de l échantillon. Il y a de l ordre, mais il est local et changeant. Il subsiste un tissu de forces de cohésion intermoléculaires de portée assez longue ; mais les molécules ont assez d énergie pour se mouvoir aisément malgré cette force. Elles restent relativement proches l une de l autre et interagissent sensiblement ; mais la liaison puissante et rigide du solide a disparu. En élevant la température, le liquide se rapproche de son point d ébullition ; les liens entre des molécules finissent par céder. L énergie cinétique thermique aléatoire de certaines molécules dépasse l énergie potentielle de cohésion ; elles s échappent alors en groupe du liquide. Les agrégats locaux se désintègrent et le liquide s évapore ; il devient un gaz. Université de Genève 9-11 C. Leluc