Phases et Classification de la Matière

États de la matière

La matière est définie comme tout ce qui occupe un espace et possède une masse ; elle est partout autour de nous. Les solides et les liquides constituent de la matière de manière évidente : nous pouvons constater qu'ils occupent de l'espace, et leur poids nous indique qu'ils possèdent une masse. Les gaz sont également de la matière ; si les gaz n'occupaient pas d'espace, un ballon resterait dégonflé au lieu de se gonfler lorsqu'il est rempli de gaz.

État Solide

Pour les métaux tels que l'or ou le plutonium, ce réseau est typiquement cristallin, conférant des propriétés telles que la rigidité, la densité et la conductivité électrique. Les niveaux d'énergie sont suffisamment bas pour que les liaisons atomiques demeurent intactes et que l'ordre à longue portée soit préservé.

État Liquide

La structure du réseau s'effondre en un ordre à courte portée : les particules se réorganisent continuellement tout en restant en contact. Les liquides s'écoulent, transmettent la pression avec efficacité et présentent une tension superficielle. Cet état émerge lorsque l'énergie thermique surmonte la rigidité du réseau solide mais non la cohésion entre les particules.

État Gazeux

Les forces interatomiques sont négligeables par rapport à l'énergie cinétique. Les gaz se dilatent pour remplir l'espace disponible, sont hautement compressibles et présentent une faible densité. Cet état survient lorsque l'énergie thermique surmonte totalement les forces de cohésion, permettant aux particules de se comporter de manière indépendante.

État de Plasma

À la différence des gaz ordinaires, le plasma est conducteur d'électricité, émet un rayonnement intense et réagit fortement aux champs électromagnétiques. Le comportement collectif domine le mouvement individuel des particules. Dans cet état, la structure chimique conventionnelle cesse d'exister — la matière est régie principalement par des interactions électromagnétiques et à l'échelle nucléaire.

Le plasma représente l'état classique de la matière à l'énergie la plus élevée, communément rencontré dans les étoiles, la foudre ainsi que dans les phénomènes astrophysiques ou de laboratoire à haute énergie.

Masse & Poids

La matière sous investigation peut exister sous la forme d'un assemblage complexe de diverses substances. De tels spécimens peuvent prendre la forme de composés chimiques, de solutions homogènes ou d'agrégats hétérogènes, se présentant souvent comme une collection d'échantillons variés. Que l'on observe une substance singulière ou un mélange aux multiples facettes, les propriétés de l'objet d'étude sont déterminées à la fois par sa composition chimique et par l'état physique de ses parties constituantes.

Certaines substances manifestent des caractéristiques associées simultanément à plusieurs états de la matière. Ce phénomène est fréquemment observé dans les matériaux granulaires, où l'échantillon global est composé d'une myriade de particules discrètes. Le sable, par exemple, peut être « versé » d'une manière suggérant un liquide, tout en étant constitué de grains individuels qui demeurent résolument solides. En outre, la matière peut présenter des propriétés de divers états lorsqu'elle existe sous forme de mélange. Un exemple notable se trouve dans les nuages ; bien qu'ils semblent se comporter comme un gaz, ils sont en fait des aérosols — des mélanges composés d'air à l'état gazeux et de minuscules particules d'eau, lesquelles peuvent être soit des gouttelettes liquides, soit des cristaux de glace solides.

La masse d'un corps constitue une mesure de la quantité de matière qu'il contient. Une méthode fondamentale pour déterminer la masse d'un objet consiste à établir la magnitude de la force requise pour lui imprimer une accélération spécifique ; par exemple, une force bien supérieure est nécessaire pour accélérer une automobile qu'une bicyclette, en raison de la masse nettement plus importante du véhicule. Dans la pratique courante, toutefois, la masse est plus fréquemment déterminée à l'aide d'une balance, un instrument utilisé pour comparer la masse inconnue d'un objet à une masse de référence normalisée.

Bien que le poids soit fondamentalement associé à la masse, il est impératif de distinguer ces deux concepts. Le poids désigne la force gravitationnelle exercée sur un corps, une magnitude qui existe en proportion directe de la masse de ce corps. Par conséquent, alors que le poids d'un objet fluctue selon l'intensité locale de la gravitation, sa masse demeure une propriété invariante. Considérons, par exemple, une astronaute : sa masse reste inchangée lors de son arrivée sur la surface lunaire, pourtant son poids est réduit à un sixième de sa valeur terrestre, car l'attraction gravitationnelle de la Lune n'est qu'une fraction de celle de la Terre. Bien qu'elle puisse éprouver une sensation d'« apesanteur » lorsque les forces externes sont négligeables, elle n'est jamais, au sens physique, « sans masse », car la quantité de matière dont elle est constituée demeure constante.

La Loi de Conservation de la Matière

Cette loi résume de nombreuses observations scientifiques sur la matière : elle stipule qu'il n'y a aucun changement décelable dans la quantité totale de matière présente lorsque celle-ci passe d'un type à un autre (un changement chimique) ou change entre les états solide, liquide ou gazeux (un changement physique). Le brassage de la bière et le fonctionnement des batteries fournissent des exemples de la conservation de la matière.

Au sein d'un récipient isolé, nous plaçons plusieurs ingrédients constitutifs ; pour nos besoins, le contenu final comprendra du blé, de l'eau, du sucre, de l'œuf, du sel et de l'huile d'olive. Ce récipient est ensuite soumis à un mélangeur vibrant afin d'obtenir une composition uniforme. Par la suite, le récipient est placé dans un four et cuit à 200°C (400°F) pendant une durée de trente à trente-cinq minutes.

Le récipient lui-même est conçu avec une section secondaire distincte, comportant un mécanisme de clapet anti-retour et une chambre construite en caoutchouc thermorésistant. Avant le début du processus de cuisson, le récipient est pesé, et le poids brut total est méticuleusement enregistré.

Expérience sur la conservation de la matière

Cette expérience illustre que la matière initiale, non modifiée, et la « soupe » résultant du produit après cuisson demeurent égales en poids. Par conséquent, leur masse est également prouvée égale, car les mesures ont été effectuées au même endroit et dans des conditions environnementales identiques.

Bien que cette loi de conservation soit vérifiée pour chaque conversion de matière, les démonstrations convaincantes sont notablement rares dans l'expérience commune. Cette rareté provient du fait que, en dehors des conditions rigoureuses maintenues dans un laboratoire, on réussit rarement à collecter l'intégralité des substances produites lors d'une transformation spécifique. Considérons, par exemple, les processus biologiques d'ingestion et de digestion : bien que toute la matière provenant de la nourriture originale soit strictement préservée, une partie importante est assimilée dans la structure même du corps, tandis que le reste est évacué sous diverses formes de déchets. Par conséquent, la vérification empirique de cette loi par la mesure directe demeure un défi de taille dans de tels systèmes complexes.

En outre, ainsi qu'on a pu l'observer, nous avons conçu certains appareils sophistiqués — notamment la chambre dotée de capacités de volume dynamique et les autres raffinements détaillés dans notre description expérimentale — afin de rendre nos observations transparentes. Ces innovations servent à démontrer que la réalité des systèmes physiques est un sujet complexe, dépendant fréquemment des complexités du monde en général, lequel fonctionne comme un système ouvert.

Il convient également de reconnaître l'importance primordiale d'une approche scientifique rigoureuse : tout au long de ses recherches savantes, il est essentiel de tenir compte à la fois de l'environnement isolé théorique et idéalisé et des systèmes ouverts rencontrés dans le monde naturel.

Atomes et Molécules

Un atome représente la particule la plus ténue d'un élément qui conserve les propriétés inhérentes de cette substance et qui est capable de participer à une combinaison chimique. Considérons, à titre d'illustration, l'élément or. Concevons l'acte de diviser une pépite d'or, puis de fragmenter les portions résultantes de manière répétée jusqu'à ce qu'il reste un fragment d'or si minuscule qu'il défie toute division ultérieure, quelle que soit la finesse de l'instrument employé. Cette portion ultime et irréductible constitue un atome — terme dérivé du grec atomos, signifiant « indivisible ». Cet atome ne serait plus de l'or s'il était divisé davantage.

Le postulat initial selon lequel la matière est composée d'atomes est attribué aux philosophes grecs Leucippe et Démocrite, qui formulèrent leurs doctrines au cinquième siècle avant notre ère. Néanmoins, ce ne fut qu'à l'aube du dix-neuvième siècle que John Dalton (1766–1844), un instituteur britannique doté d'un profond dévouement à l'enquête scientifique, étaya cette hypothèse par des mesures quantitatives rigoureuses.

Depuis cette époque, des expérimentations répétées ont corroboré de nombreuses facettes de cette hypothèse, et celle-ci a par la suite accédé au rang de théorie fondamentale au sein du domaine de la chimie. Certains autres préceptes de la théorie atomique de Dalton demeurent en usage à ce jour, bien que soumis à des corrections mineures ; un exposé complet de ces principes est fourni dans le discours suivant sur les atomes et les molécules.

Photo macroscopique : pépite d'or (Au).

Image microscopique de la structure de l'or à l'état solide.

Un atome possède une grandeur si infinitésimale que ses dimensions demeurent extrêmement difficiles à concevoir pour l'esprit humain. Parmi les objets les plus ténus discernables à l'œil nu figure le fil d'une toile d'araignée ; ces fils mesurent approximativement cm (0,0001 cm) de diamètre. Bien que la coupe transversale d'un unique brin soit presque impossible à percevoir sans le secours d'un microscope, elle demeure colossale au regard de l'échelle atomique. Un seul atome de carbone au sein de ladite toile possède un diamètre d'environ cm (0,000000015 cm) ; par conséquent, il faudrait quelque 7 000 atomes de carbone pour couvrir le diamètre d'un seul brin. Afin d'offrir à l'élève une perspective plus nette : si l'on agrandissait un atome de carbone à la taille d'une petite pièce de monnaie, la section transversale du fil d'araignée excéderait alors les dimensions d'un terrain de football, requérant environ 150 millions de ces « pièces » pour en recouvrir la surface.

Capsule de coton mûre

Le niveau structurel

Le niveau cellulaire de l'organisation des tissus du coton

Structure moléculaire des tissus organiques fibreux de la fleur de coton

Schéma d'une molécule organique singulière au sein du tissu de coton

Un atome possède une masse si ténue qu'elle demeure tout aussi difficile à concevoir. Un milliard d'atomes de plomb (1 000 000 000 d'atomes) pèsent environ grammes, une masse bien trop légère pour être pesée, fût-ce par les balances les plus sensibles au monde. Il ne faudrait pas moins de 300 000 000 000 000 d'atomes de plomb (300 billions, soit ) pour qu'ils puissent être pesés, et ils ne pèseraient alors que 0,0000001 gramme.

Il est rare de rencontrer des collections d'atomes individuels dans la nature. Seuls quelques éléments d'élite, tels que les gaz nobles — l'hélium, le néon et l'argon —, consistent en des atomes isolés se déplaçant indépendamment les uns des autres. D'autres éléments, tels que l'hydrogène, l'azote, l'oxygène et le chlore sous forme gazeuse, sont composés d'unités distinctes constituées de paires d'atomes.

Il est peu commun de trouver des groupements d'atomes individuels. Seuls quelques éléments, tels que les gaz hélium, néon et argon, se composent d'un ensemble d'atomes isolés qui se meuvent de manière indépendante les uns des autres. D'autres éléments, à l'instar de l'hydrogène, de l'azote, de l'oxygène et du chlore gazeux, sont formés d'unités constituées de paires d'atomes.

Une forme de l'élément phosphore se compose d'unités formées de quatre atomes de phosphore. L'élément soufre existe sous diverses formes, dont l'une consiste en des unités composées de huit atomes de soufre. Ces unités sont appelées molécules. Une molécule se compose de deux atomes ou plus, unis par des forces puissantes nommées liaisons chimiques.

Les atomes au sein d'une molécule se déplacent comme un tout, à l'instar des canettes de soda dans un emballage de six ou d'un trousseau de clés réunies par un même anneau. Une molécule peut être constituée de deux atomes identiques ou plus, comme c'est le cas pour les molécules des éléments hydrogène, oxygène et soufre ; elle peut également être formée de deux atomes différents ou plus, comme dans les molécules d'eau.

Chaque molécule d'eau est une unité contenant deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Chaque molécule de glucose est une unité renfermant six atomes de carbone, douze atomes d'hydrogène et six atomes d'oxygène. Tout comme les atomes, les molécules sont incroyablement petites et légères. Si un simple verre d'eau était agrandi jusqu'à atteindre la dimension de la Terre, les molécules d'eau qu'il contient auraient environ la taille de balles de golf.

Hydrogène

Oxygène

Phosphore

Soufre

Eau

Dioxyde de carbone

Glucose

La Classification de la Matière

Afin de simplifier la situation initiale, nous exposerons ici une définition de la classification de la matière à la fois simple et intelligible, ainsi qu'une méthode de distinction.

Il ne s'agit, certes, que d'une introduction simplifiée aux techniques de classification chimique, mais il convient de débuter quelque part, et ce lieu est tout indiqué !

La matière peut être classée en plusieurs catégories distinctes, dont deux sont les mélanges et les substances pures. Une substance pure possède une composition constante ; par conséquent, tous les spécimens d'une substance pure présentent exactement la même constitution et les mêmes propriétés.

Par exemple, tout échantillon de saccharose (sucre de table) se compose de 42,1 % de carbone, 6,5 % d'hydrogène et 51,4 % d'oxygène en masse. Tout spécimen de saccharose affiche également les mêmes propriétés physiques — telles que le point de fusion, la couleur et la saveur sucrée — indépendamment de la source dont il a été isolé.

Les substances pures peuvent être divisées plus avant en deux classes distinctes : les éléments et les composés.

Les substances pures qui ne peuvent être décomposées en substances plus simples par le moyen d'un changement chimique sont qualifiées d'éléments. Parmi les plus de cent éléments connus, les exemples familiers incluent le fer, l'argent, l'or, l'aluminium, le soufre, l'oxygène et le cuivre.

De ces éléments, environ quatre-vingt-dix se trouvent à l'état naturel sur la Terre, tandis qu'environ deux douzaines ont été créées artificiellement au sein de laboratoires.

Les substances pures qui peuvent être décomposées par des changements chimiques sont appelées composés. Cette décomposition peut produire soit des éléments, soit d'autres composés, ou les deux. L'oxyde de mercure(II), un solide cristallin orangé, peut être décomposé par la chaleur en ses éléments : le mercure et l'oxygène.

Lorsqu'il est chauffé en l'absence d'air, le composé nommé saccharose est décomposé en un élément, le carbone, et un composé, l'eau. (L'étape initiale de ce processus, lorsque le sucre brunit, est connue sous le nom de caramélisation — c'est ce qui confère la saveur caractéristique, douce et rappelant la noisette, aux pommes d'amour, aux oignons caramélisés et au caramel).

Le chlorure d'argent(I) est un solide blanc qui peut être décomposé en ses éléments, l'argent et le chlore, par l'absorption de la lumière. Cette propriété constitue la base de l'usage de ce composé dans les pellicules photographiques et les verres de lunettes photochromiques (ceux dont les verres s'assombrissent lorsqu'ils sont exposés à la lumière).

Oxyde de mercure(II) (HgO)

Le composé se décompose en gouttelettes argentées de mercure liquide et en oxygène gazeux invisible.

Les propriétés des éléments combinés diffèrent de celles de l'état libre, ou non combiné. Par exemple, le sucre cristallin blanc (saccharose) est un composé résultant de la combinaison chimique de l'élément carbone — lequel se présente sous la forme d'un solide noir dans l'un de ses états non combinés — et des deux éléments hydrogène et oxygène, qui sont des gaz incolores lorsqu'ils demeurent libres. Le sodium à l'état libre, élément consistant en un solide métallique, mou et brillant, et le chlore libre, élément sous forme de gaz jaune-vert, se combinent pour former le chlorure de sodium (sel de table), un composé qui est un solide cristallin blanc.

Un mélange se compose de deux ou plusieurs types de matière pouvant être présents en proportions variables et susceptibles d'être séparés par des changements physiques, tels que l'évaporation (sujet sur lequel le lecteur recevra de plus amples enseignements ultérieurement). Un mélange dont la constitution varie d'un point à un autre est qualifié de mélange hétérogène. La vinaigrette à l'italienne constitue un exemple topique de mélange hétérogène.

Sa composition peut varier car nous pouvons la préparer à partir de quantités variables d'huile, de vinaigre et d'herbes aromatiques. Elle n'est point identique en tout point du mélange — une goutte peut être constituée principalement de vinaigre, tandis qu'une autre pourra être composée majoritairement d'huile ou d'herbes, car l'huile et le vinaigre se séparent et les herbes s'y déposent. Parmi d'autres exemples de mélanges hétérogènes, citons les biscuits aux pépites de chocolat (où l'on distingue les fragments de chocolat, de noix et la pâte à biscuit) ainsi que le granit (où l'on peut observer le quartz, le mica, le feldspath, et bien d'autres minéraux).

Un mélange homogène, également nommé solution, présente une constitution uniforme et conserve visuellement la même apparence dans toute sa masse. Une boisson pour sportifs, constituée d'eau, de sucre, de colorants, d'arômes et d'électrolytes mélangés uniformément, illustre parfaitement ce qu'est une solution.

Chaque goutte d'une boisson pour sportifs possède la même saveur, car chaque goutte contient les mêmes proportions d'eau, de sucre et d'autres composants. Notons toutefois que la composition d'une telle boisson peut varier — elle pourrait être élaborée avec un peu plus ou moins de sucre, d'arôme ou d'autres constituants, tout en demeurant une boisson pour sportifs. Parmi d'autres exemples de mélanges homogènes figurent l'air, le sirop d'érable, l'essence et une solution de sel dans l'eau.

Bien que l'on ne dénombre qu'un peu plus de cent éléments, des dizaines de millions de composés chimiques résultent des diverses combinaisons de ces derniers. Chaque composé possède une composition spécifique et jouit de propriétés chimiques et physiques définies permettant de le distinguer de tout autre composé. Et, naturellement, il existe d'innombrables manières de combiner éléments et composés pour former différents mélanges. Un résumé des méthodes permettant de distinguer les diverses classifications majeures de la matière est présenté dans le schéma suivant :

Onze éléments entrent, pour environ quatre-vingt-dix-neuf pour cent, dans la composition de l'écorce terrestre et de l'atmosphère. De cette quantité totale, l'oxygène en constitue près de la moitié, tandis que le silicium en représente environ un quart. La majeure partie des éléments rencontrés sur la Terre se trouvent en combinaison chimique avec d'autres ; toutefois, environ un quart des éléments peuvent également être observés à l'état libre.

Décomposition de l'eau, Expérience vs Réalité

L'eau se compose des éléments hydrogène et oxygène combinés dans un rapport de 2 pour 1. L'eau peut être décomposée en gaz hydrogène et oxygène par l'apport d'énergie. Une façon de procéder consiste à utiliser une batterie ou une alimentation électrique.

La décomposition de l'eau implique un réarrangement des atomes des molécules d'eau en molécules différentes, composées respectivement de deux atomes d'hydrogène et de deux atomes d'oxygène. Deux molécules d'eau forment une molécule d'oxygène et deux molécules d'hydrogène.

La représentation de ce qui se produit, , sera explorée plus en profondeur dans les chapitres suivants.

Décomposition de l'eau / Production d'hydrogène

Les deux gaz produits ont des propriétés nettement différentes. L'oxygène n'est pas inflammable mais est nécessaire à la combustion d'un carburant, et l'hydrogène est hautement inflammable et constitue une source d'énergie puissante. Comment ces connaissances pourraient-elles être appliquées dans notre monde ? Une application concerne la recherche sur des transports plus économes en carburant. Les véhicules à pile à combustible (VPC) fonctionnent à l'hydrogène plutôt qu'à l'essence.

Ils sont plus efficaces que les véhicules à moteur à combustion interne, sont non polluants et réduisent les émissions de gaz à effet de serre, nous rendant moins dépendants des combustibles fossiles. Les VPC ne sont toutefois pas encore économiquement viables et la production actuelle d'hydrogène dépend du gaz naturel. Si nous parvenons à développer un processus permettant de décomposer l'eau de manière économique, ou de produire de l'hydrogène d'une autre manière respectueuse de l'environnement, les VPC pourraient être la solution de l'avenir.

Concept de génération d'énergie par réaction chimique entre l'hydrogène et l'oxygène