États de la matière

Tout ce qui vous entoure est composé de minuscules particules 粒子 — ce peuvent être des atomes 原子, des molécules 分子, ou des ions 离子. La théorie cinétique des particules 粒子动 théorie dit que ces particules sont toujours en mouvement. La proximité des particules, leur arrangement et leur façon de se déplacer déterminent si la matière est un solide 固体, un liquide 液体, ou un gaz 气体.

Propriétés observables

Vous n'avez pas besoin d'un microscope pour distinguer les trois états. Ils se comportent différemment :

• Un solide a une forme fixe et un volume 体积 fixe. Il ne coule pas et on ne peut pas le compresser 压缩 (le réduire en taille).
• Un liquide a un volume fixe mais aucune forme fixe. Il coule et prend la forme de son contenant. Il est presque impossible à comprimer.
• Un gaz n'a ni forme fixe ni volume fixe. Il coule et s'étend pour remplir tout le contenant. Un gaz est facile à comprimer.

Le tableau ci-dessous résume ces propriétés. La densité 密度 signifie combien de masse 质量 est compactée dans un volume donné.

Le modèle des particules

La théorie cinétique des particules explique ces propriétés en examinant trois éléments : la séparation 间距 des particules (la distance entre elles), leur arrangement 排列 (le motif) et leur mouvement 运动 (comment ils se déplacent).

De fortes forces d'attraction 引力 maintiennent les particules ensemble. Dans un solide, ces forces sont suffisamment fortes pour maintenir chaque particule en place, donc un solide conserve sa forme. Dans un liquide, les forces sont plus faibles, donc les particules peuvent se déplacer. Dans un gaz, les particules se déplacent si vite que les forces agissent presque pas, donc le gaz s'étend.

Lorsque vous chauffez ou refroidissez une substance, elle peut passer d'un état à un autre. Vous devez connaître le nom de chaque changement.

Un solide pur fond à une température fixe, le point de fusion 熔点. Un liquide pur bout à une température fixe, le point d'ébullition 沸点. La même substance gèle à son point de fusion et se condense à son point d'ébullition.

Certaines substances changent directement du solide au gaz sans fondre d'abord. C'est appelé sublimation 升华. Sur la photo ci-dessous, de l'iode solide réchauffée dans un bécher se transforme directement en gaz violet ; le gaz se refroidit ensuite sur le ballon rond rempli de glace au-dessus et redevient solide.

Expliquer les changements d'état avec la théorie des particules

Chaque changement d'état est en réalité un changement dans l'énergie 能量 des particules.

• Lorsque vous chauffez un solide, les particules gagnent de l'énergie et vibrent plus vite. Au point de fusion, les particules ont assez d'énergie pour s'éloigner de leurs positions fixes et glisser autour — le solide fond.
• Lorsque vous chauffez un liquide, les particules se déplacent plus vite. Au point d'ébullition, elles ont assez d'énergie pour s'échapper complètement des forces d'attraction et devenir un gaz.
• Le refroidissement fait l'inverse. Les particules perdent de l'énergie, se déplacent plus lentement, et les forces d'attraction les ramènent vers le centre.

Lors d'un changement d'état, l'énergie sert à briser les forces d'attraction, pas à faire aller plus vite les particules. C'est pourquoi la température reste constante pendant la fusion ou l'ébullition.

Courbes de chauffage et de refroidissement

Une courbe de chauffage 加热曲线 est un graphique de la température en fonction du temps alors que vous chauffez une substance régulièrement. Une courbe de refroidissement 冷却曲线 est le même graphique lorsque la substance refroidit.

Sur une courbe de chauffage, il y a deux parties plates (horizontales) :

• La première partie plate est au point de fusion. Ici, le solide et le liquide sont tous deux présents. L'énergie thermique brise les forces qui maintiennent le solide ensemble, donc la température n'augmente pas.
• La deuxième partie plate est au point d'ébullition. Ici, le liquide et le gaz sont tous deux présents, et la température reste également constante.

Une courbe de refroidissement est l'inverse. Elle a une partie plate au point d'ébullition (le gaz se condense) et une partie plate au point de fusion (le liquide gèle). Alors que les particules ralentissent, l'énergie thermique 热能 est libérée dans l'environnement.

Un gaz pousse sur les parois de son récipient. Cette poussée, répartie sur la surface de la paroi, est la pression 压强 du gaz. La pression provient des particules de gaz heurtant les parois.

Effet de la température

Si vous chauffez une masse fixe de gaz tout en maintenant la pression constante, son volume augmente.

En utilisant la théorie des particules : chauffer donne aux particules plus d'énergie cinétique 动能, donc elles se déplacent plus vite. Elles heurtent les parois plus fort et plus souvent. Pour maintenir la pression constante, le gaz doit occuper plus d'espace, donc le volume augmente.

Si au contraire le volume est fixe (un récipient scellé et rigide), chauffer le gaz fait augmenter la pression, car les particules plus rapides collid 碰撞 avec les parois plus fort et plus souvent.

Effet de la pression

Si vous augmentez la pression sur une masse fixe de gaz tout en maintenant la température constante, son volume diminue. Comprimer le gaz dans un espace plus petit signifie que les particules heurtent les parois plus souvent, ce qui correspond à une pression plus élevée.

La diffusion 扩散 est la propagation des particules d'une région où elles sont serrées vers une région où elles sont dispersées — c'est-à-dire d'une haute concentration 浓度 vers une basse concentration. Cela se produit parce que les particules se déplacent toujours dans des directions aléatoires.

La diffusion explique pourquoi vous pouvez sentir des aliments à travers une pièce : les particules d'odeur se déplacent et se mélangent à l'air jusqu'à atteindre votre nez. La diffusion se produit dans les gaz et les liquides, mais pas dans les solides, car les particules solides ne peuvent pas se déplacer d'un endroit à un autre.

Vitesse de diffusion et masse moléculaire

Les particules de gaz plus légères se déplacent plus vite que les plus lourdes à la même température. Ainsi, un gaz ayant une plus petite masse moléculaire relative 相对分子质量 (une masse plus faible par molécule) a une vitesse 速率 de diffusion plus rapide.

Une expérience classique le démontre. Un coton imbibé d'ammoniac 氨气 ($\text{NH}_3$) est placé à une extrémité d'un long tube en verre. Un coton imbibé d'acide chlorhydrique 氯化氢 ($\text{HCl}$) est placé à l'autre extrémité. Les deux gaz diffusent le long du tube et se rencontrent pour former un anneau blanc de chlorure d'ammonium 氯化铵 ($\text{NH}_4\text{Cl}$).

L'ammoniac a $M_r = 17$ et l'acide chlorhydrique a $M_r = 36.5$. L'ammoniac est plus léger, donc il diffuse plus vite et parcourt une plus grande distance le long du tube. L'anneau blanc se forme près de l'extrémité acide chlorhydrique.

Exemple résolu. Le brome ($M_r = 160$) et l'ammoniac ($M_r = 17$) sont relâchés simultanément aux extrémités opposées d'un long tube. Lequel parcourt la plus grande distance avant de se rencontrer ? Comparez les masses moléculaires relatives. La $M_r$ de l'ammoniac est bien plus petite, donc ses molécules se déplacent plus vite à la même température et diffusent plus rapidement. L'ammoniac parcourt donc la plus grande distance, et les deux gaz se rencontrent près de l'extrémité brome. La règle est toujours « plus léger signifie plus rapide » — argumentez à partir de $M_r$, jamais de la taille apparente de la formule sur papier.

• Pendant la fusion et l'ébullition, la température reste constante (les parties plates d'une courbe de chauffage), car l'énergie brise les forces entre les particules au lieu de les faire aller plus vite.
• L'évaporation se produit uniquement à la surface et à n'importe quelle température ; l'ébullition se produit dans tout le liquide à une température fixe unique.
• Expliquez le comportement des gaz avec la théorie des particules : chauffer un gaz à volume constant augmente la pression car les particules heurtent les parois plus fort et plus souvent — les particules elles-mêmes ne deviennent pas plus grandes.
• La diffusion est plus rapide pour les particules plus légères (plus petite $M_r$) et ne peut pas se produire dans les solides. Dans le tube ammoniac/acide chlorhydrique, l'ammoniac plus léger parcourt une plus grande distance, donc l'anneau blanc se forme près de l'extrémité HCl.