Les états de la matière
Tu passes en 4ᵉ ?Consolide l'essentiel de la 5ᵉ avant la rentrée.Solide, liquide, gaz : trois manières d'être de la matière
Tout ce qui t'entoure et qui a une masse est de la matière : l'eau, l'air, le sable, le métal, ton stylo. Cette matière se présente toujours sous l'un de trois états physiques.
Les trois états de la matière sont l'état solide, l'état liquide et l'état gazeux. Un même corps (une même substance) peut exister dans chacun de ces états selon les conditions.
L'exemple de l'eau est le plus parlant parce qu'on la rencontre couramment dans les trois états : glace (solide), eau liquide, vapeur d'eau (gaz). Mais c'est vrai de presque toute substance. Le fer est solide dans une casserole, mais liquide dans la fonderie où on le coule à plus de 1500 °C. L'air que tu respires est un gaz, mais il devient liquide à −190 °C dans l'industrie.
L'état (solide, liquide ou gazeux) n'est pas une propriété définitive d'une substance : c'est l'état dans lequel elle se trouve ici et maintenant, selon la température et la pression.
Reconnaître l'état d'un corps
Pour classer un corps dans le bon état, on n'observe pas sa couleur ou sa température, mais deux questions précises : a-t-il une forme propre ? a-t-il un volume propre ?
Forme propre et volume propre
Un corps a une forme propre si sa forme ne change pas quand on le déplace d'un récipient à un autre. Il a un volume propre si la place qu'il occupe est fixe (on ne peut pas la réduire en appuyant).
Applique ces deux questions à chaque état :
- Le solide a une forme propre et un volume propre. Une bille de verre garde sa forme et sa taille, qu'elle soit dans ta main, dans un verre ou dans une boîte.
- Le liquide a un volume propre mais pas de forme propre. Un demi-litre de thé reste un demi-litre, mais il prend la forme de la théière, puis du verre : il épouse le récipient et présente une surface libre horizontale au repos.
- Le gaz n'a ni forme propre ni volume propre. Il occupe tout le volume qu'on lui offre : si tu ouvres un flacon de parfum dans une pièce, l'odeur finit par envahir toute la pièce.
Le tableau de référence
Voici la grille qui résume tout. Apprends-la : c'est l'outil qui te permet de trancher l'état d'un corps sans hésiter.
| Propriété | Solide | Liquide | Gaz |
|---|---|---|---|
| Forme propre | oui | non | non |
| Volume propre | oui | oui | non |
| Surface libre horizontale | — | oui | non |
| Compressible | non | non (ou très peu) | oui |
Un solide a forme et volume propres ; un liquide a un volume propre mais épouse la forme du récipient ; un gaz n'a ni l'un ni l'autre et occupe tout l'espace disponible.
Le piège de la poudre
Le sucre, le sable, la farine, la semoule : on les verse, ils « coulent » et prennent la forme du récipient. On serait tenté de les appeler liquides. C'est faux. Le sucre en poudre est un solide : chaque grain, vu de près, a une forme propre et un volume propre. C'est l'ensemble des grains qui s'écoule, pas chaque grain. Un tas de sable n'est pas un liquide, c'est une multitude de petits solides.
Une poudre qui s'écoule reste un solide : ce sont de minuscules grains solides, chacun avec sa forme propre.
Le modèle particulaire : la matière vue de très près
Pourquoi un solide garde-t-il sa forme alors qu'un gaz se répand partout ? Pour le comprendre, les physiciens imaginent la matière comme un assemblage de particules extrêmement petites (trop petites pour être vues, même au microscope ordinaire). C'est le modèle particulaire.
Dans le modèle particulaire, toute matière est constituée d'un très grand nombre de particules identiques pour une substance donnée. Ce qui distingue les trois états, c'est la façon dont ces particules sont disposées et bougent.
Comment les particules sont disposées dans chaque état
- Solide : les particules sont collées les unes aux autres, rangées de façon ordonnée, et ne peuvent que vibrer sur place. Comme elles sont liées et serrées, le solide garde sa forme et son volume.
- Liquide : les particules sont toujours en contact, mais désordonnées et libres de glisser les unes sur les autres. Comme elles restent collées, le volume est fixe ; comme elles glissent, le liquide n'a pas de forme propre.
- Gaz : les particules sont très éloignées les unes des autres, désordonnées, et se déplacent très vite dans toutes les directions. Entre elles, il y a du vide. C'est pourquoi un gaz se répand dans tout l'espace et peut être comprimé.
Plus on passe du solide au gaz, plus les particules sont espacées, désordonnées et rapides. La nature des particules, elle, ne change pas : seul leur arrangement change.
Ce que le modèle explique d'un coup
Ce petit modèle, malgré sa simplicité, explique presque tout ce chapitre :
- Un solide est incompressible : ses particules se touchent déjà, on ne peut pas les rapprocher davantage.
- Un gaz est compressible : il y a du vide entre ses particules, on peut donc les rapprocher en appuyant.
- L'odeur d'un parfum traverse une pièce parce que les particules de gaz se déplacent vite et dans toutes les directions.
Tu retrouveras ce modèle au chapitre suivant sur les changements d'état : chauffer un corps, c'est agiter ses particules jusqu'à ce qu'elles se détachent les unes des autres.
Les gaz : une matière à part entière
Comme on ne le voit pas, on croit souvent qu'un gaz « n'est rien ». C'est une erreur profonde : un gaz est de la matière, avec deux propriétés spectaculaires que les solides et les liquides n'ont pas.
Un gaz a une masse
L'air a beau être invisible, il pèse. Si tu pèses un ballon de foot dégonflé, puis le même ballon bien gonflé, le ballon gonflé est plus lourd : la différence, c'est la masse de l'air qu'on a ajouté. Un litre d'air, au niveau de la mer, a une masse d'environ 1,2 gramme. Ce n'est pas beaucoup, mais ce n'est pas zéro.
Un gaz a une masse. L'air n'est pas « du vide » : c'est de la matière, simplement très peu dense.
Un gaz est compressible et expansible
C'est la propriété la plus utile au quotidien.
Un gaz est compressible : on peut réduire son volume en le comprimant (en appuyant dessus). Il est aussi expansible : il occupe tout le volume disponible, aussi grand soit-il.
Pense à la bouteille de gaz butane qu'on utilise pour cuisiner partout au Maroc. Attention à une idée fausse répandue : la bouteille ne contient pas seulement du gaz comprimé. À l'intérieur, le butane est tellement comprimé qu'une grande partie est devenue liquide : c'est sous cette forme liquéfiée qu'on peut en stocker autant dans un si petit volume. Au-dessus de ce liquide, il reste une couche de butane gazeux. Quand tu ouvres le robinet, ce gaz s'échappe vers le brûleur, et un peu de liquide se vaporise aussitôt pour le remplacer. Ce qui rend tout cela possible, c'est bien la compressibilité du gaz : un liquide ou un solide, eux, ne se laisseraient jamais comprimer ainsi.
On peut comprimer un gaz parce qu'il y a du vide entre ses particules. On ne peut pas comprimer un liquide ni un solide, dont les particules se touchent déjà.
Le piège de la fumée et de la buée
Quand l'eau bout, on voit un nuage blanc au-dessus de la casserole. On l'appelle « vapeur », et on croit voir un gaz. En réalité, ce nuage blanc n'est pas un gaz : c'est une multitude de minuscules gouttelettes d'eau liquide en suspension. La vraie vapeur d'eau, elle, est un gaz invisible : c'est la zone transparente juste au-dessus du bec, avant que le nuage blanc n'apparaisse. De même, la fumée d'un feu est faite de fines particules solides, pas d'un simple gaz.
Un gaz pur est invisible. Ce qu'on voit (fumée, buée, « vapeur » blanche) est fait de fines gouttelettes liquides ou de particules solides.
Pièges classiques
Piège 1 : croire que « liquide » veut dire « eau ». Liquide est un état, pas une substance. L'huile, le lait, le mercure et l'essence sont des liquides ; l'eau peut être solide (glace) ou gazeuse (vapeur). Ne confonds jamais une substance avec un état.
Piège 2 : prendre une poudre pour un liquide. Sucre, sable, farine : une foule de petits solides qui s'écoulent (voir plus haut, Le piège de la poudre).
Piège 3 : croire qu'un gaz n'a pas de masse. Un gaz est invisible mais pèse bel et bien. L'air a une masse (environ 1,2 g par litre). « Invisible » ne veut pas dire « rien ».
Piège 4 : confondre la buée blanche avec un gaz. Le nuage blanc est fait de gouttelettes liquides ; un gaz pur est invisible (voir plus haut, Le piège de la fumée et de la buée).
Piège 5 : croire qu'on peut comprimer un liquide. On ne comprime ni un solide ni un liquide : leurs particules se touchent déjà. Seul un gaz se comprime, car il a du vide entre ses particules.
Piège 6 : penser que les particules changent quand l'état change. Quand la glace fond, les particules d'eau ne se transforment pas : elles se réarrangent simplement (elles passent d'un rangement serré et ordonné à un désordre où elles glissent). La substance reste la même.
Application concrète
Yasmine passe le week-end à Ifrane, où il fait −5 °C et où la neige recouvre le sol. Le soir, elle prépare un thé à la menthe sur une bouteille de gaz butane. Suivons la matière à l'œuvre.
Étape 1 — Identifier les trois états dans la scène.
Yasmine observe trois corps. La neige dehors est de l'eau à l'état solide : elle a une forme et un volume propres (une boule de neige garde sa forme). Le thé dans le verre est un liquide : il épouse la forme du verre et présente une surface horizontale. Au-dessus du verre brûlant, un fin nuage apparaît.
Étape 2 — Ne pas se tromper sur le nuage.
Ce nuage blanc n'est pas la vapeur d'eau elle-même. C'est de la buée : des gouttelettes d'eau liquide formées quand la vapeur invisible rencontre l'air froid d'Ifrane. La vapeur d'eau, le vrai gaz, est transparente et invisible juste au-dessus du verre.
Étape 3 — Comprendre la bouteille de gaz.
Comme on l'a vu plus haut, le butane de la bouteille est si comprimé qu'une grande partie est devenue liquide : c'est ce qui permet d'en stocker autant dans un si petit volume. Quand Yasmine ouvre le robinet, le gaz file vers le brûleur, et un peu de liquide se vaporise aussitôt pour le remplacer.
Étape 4 — Relier au modèle particulaire.
Dans la neige, les particules d'eau sont rangées et serrées (solide). Dans le thé, elles glissent les unes sur les autres tout en se touchant (liquide). Dans la vapeur au-dessus du verre, elles sont très éloignées et rapides (gaz). Une seule et même substance, l'eau, trois arrangements de particules.
Conclusion.
Dans une scène aussi banale qu'un thé à Ifrane, les trois états de la matière et le modèle particulaire sont tous présents. C'est exactement cette matière qui va se transformer d'un état à l'autre au chapitre suivant, Les changements d'état — la neige qui fond, le thé qui s'évapore.
À retenir
Avant les exercices, voici les règles essentielles à mémoriser.
La matière existe sous trois états : solide, liquide et gazeux. Une même substance peut passer d'un état à l'autre selon la température.
Le solide a forme et volume propres ; le liquide a un volume propre mais épouse la forme du récipient (surface libre horizontale) ; le gaz n'a ni forme ni volume propres et occupe tout l'espace.
Dans le modèle particulaire : solide = particules serrées, rangées, qui vibrent sur place ; liquide = particules en contact, désordonnées, qui glissent ; gaz = particules très espacées, désordonnées, rapides, avec du vide entre elles.
Un gaz a une masse et il est compressible et expansible, parce qu'il y a du vide entre ses particules. Les solides et les liquides sont incompressibles.
Un gaz pur est invisible. La fumée, la buée et la « vapeur » blanche sont faites de fines gouttelettes liquides ou de particules solides, pas de gaz seul.