Le Labo du Scientifique

Chapitre 4 : Les trois états de la Matière

Un mot plusieurs sens 

« La Matière » est un mot qui nous pose souvent problème au collège quand on doit le faire apprendre à nos élèves. Le mot est tellement « banal » et répandu qu’il en devient difficile pour eux d’appréhender sa signification physique.

Après tout quand un professeur de la matière « physique-chimie » demande à ses élèves de définir le mot « matière », et bien ça donne matière à réflexion, non ?

C’est l’un des premiers murs de la science à surmonter, pouvoir s’affranchir d’un concept que l’on connait bien et dont on connait les codes (la matière c’est la physique, le français, l’histoire…) à un concept si ce n’est radicalement opposé, tout au moins différent.

C’est la fameuse page blanche de l’élève : un élève n’arrive pas devant nous comme une page blanche sur laquelle on va pouvoir écrire tout le savoir dont on dispose ; c’est une page déjà bien remplie de toutes sortes de savoirs (vrais ou faux peu importe) qu’il faut non pas déconstruire mais intégrer à l’intérieur d’une plus grande connaissance.

Qu’est-ce donc que la matière en physique-chimie ? 

On définit la matière comme étant ce qui compose un corps caractérisé par sa masse et son volume (son étendue pour parler savamment).

Soit dit en passant le mot corps est lui aussi sujet à interprétation. Demandons à quelqu’un de dessiner un corps, il dessinera un corps humain (même pas celui d’un animal). Alors qu’en physique le corps est tout simplement « l’objet » étudié, qu’il ait ou non une âme.

La matière est donc une substance que l’on peut toucher, qui a une réalité sensorielle, palpable. 

Ainsi en première approximation on peut considérer que tout autour de nous (y compris nous-même) est de la matière, si ce n’est le vide (et les phénomènes ondulatoires).

Les Trois (+1) états de la matière

La matière peut se trouver sous trois états : l’état solide, liquide et gazeux. A ces trois états se rajoute parfois un quatrième l’état plasma (mais qui n’est un état un peu particulier).

Ainsi si on prend l’eau comme exemple on peut la trouver sous forme de glace (état solide), rosée (état liquide) ou vapeur d’eau (état gazeux). Ce qui va distinguer ces trois états sont la façon dont sont « rangés » les entités chimiques composant le corps .

Ici il ne faut pas confondre « forme » et « état ». La matière (de l’eau) sous un certain état (solide) peut se trouver sous plusieurs formes (glace, grêle, neige…)

L’état solide :

On peut distinguer deux types d’état solide :

  • Les solides compacts : on peut les tenir dans la main sans qu’ils se déforment, on dit qu’ils possèdent une forme propre. On en distingue également deux formes selon comment sont agencées les entités à l’intérieur :
    • Les solides cristallins, les entités se lient entre elles en formant un schéma très ordonné et régulier (le diamant, les pains de sel…)
    • Les solides amorphes, les entités se lient « n’importe comment » sans véritable schéma (Le verre, le sucre en morceaux…)
  • Les solides divisés : on ne peut pas les tenir dans la main sans qu’ils se déforment. Ils ne possèdent donc pas de forme propre (le sel ou sucre en poudre, la farine…)

Cependant qu’il soit compact ou divisé ce qui va caractériser un solide par rapport aux deux autres états c’est que les entités qui composent la matière vont être en contact et immobiles les unes par rapport aux autres.

L’état Solide conserve également son volume. Prenez 20 cl de farine, transvasez-la dans un autre récipient et vous obtiendrez toujours 20 cl. Pas forcément répartis de la même manière, mais cela restera le même volume.

Quelque soit le récipient, ce citron garde sa même forme !

L’état liquide :

La matière à l’état liquide ne possède pas de forme propre. Vous allez me dire mais quelle différence avec le solide divisé ? Et bien la matière à l’état liquide va épouser le récipient qui va le contenir : elle en prend sa forme ou bien elle s’étale sur toute la surface sur laquelle elle est déposée :

Prenez un verre d’eau et versez-le sur une table, l’eau va s’étaler. Prenez la farine et versez-la sur la table et elle va former un tas irrégulier. C’est là qu’est la différence.

On dit d’ailleurs que les liquides ont une surface libre (la surface qui est en contact avec l’air) plane et horizontale. Plane signifiant sans irrégularité et horizontale signifiant parallèle au sol.

Que le bécher soit droit ou penché la surface libre restera plane ou horizontale.

L’état liquide possède deux choses en commun avec l’état solide : un volume propre et des entités en contact les unes des autres.

Cependant ces dernières sont plus espacées et capables de se mouvoir les unes par rapport aux autres, même pour un verre d’eau au repos.


L’état gazeux :

Dans cet état la matière ne possède plus ni forme propre, ni volume propre.

Les entités sont libres de se mouvoir dans tout l’espace dont elles disposent et l’ensemble prendra la forme du récipient qui le contient.

Les entités sont donc en mouvement et n’ont de contacts les unes avec les autres que lorsqu’elles se percutent. 

Lorsqu’on retire la feuille, le gaz vert se répand dans tout l’espace disponible

On peut rajouter à ces propriétés le fait qu’un gaz est facilement compressible à la différence d’un liquide (possible mais très faiblement) ou d’un solide compact (encore plus difficile).

On peut donc voir la différence entre ces trois état comme en quelque sorte l’espacement qui sépare les entités le composant : à l’état solide les entités sont serrées les unes contre les autres puis plus espacées à l’état liquide pour finir indépendantes à l’état liquide.

Agencement des entités selon les trois états de la matière (solide, liquide, gazeux)
L’état plasma :

Les plasma sont des gaz ionisé. Pour rappel quelque soit l’entité elle sera composée d’atomes formé à partir d’un noyau et d’électrons gravitant autour.

En chauffant le gaz on va arracher des électrons aux atomes et se retrouver avec une sorte de soupe de noyau et d’électrons les uns à côtés des autres. Cela va permettre de multiples collisions ce qui va changer la dynamique de l’ensemble.

Conclusion :

La matière se trouve sous trois états principaux : solide, liquide et gazeux. Ce qui les distingue est l’agencement des entités composant la matière. 

Le solide est un état très compact où les entités sont fixes les unes par rapport aux autres (à l’exception des solides divisés). C’est un état très peu voir quasiment pas compressible.

Le liquide est un état compact mais où les entités, bien qu’en contact, sont libres de se mouvoir les unes par rapport aux autres. C’est un état peu compressible.

Le gaz est un état dispersé et désordonnés où les entités sont totalement libres les unes par rapport aux autres et se meuvent dans tout l’espace disponible. C’est un état facilement compressible.

Dans le chapitre 2 nous avons vu que l’élément chimique était différent de l’atome. Voyons cela d’un peu plus près.

Le modèle en science

La science évolue et grandit en construisant des modèles. La vérité absolue n’existe pas (tout est relatif disait l’autre). On ne peut donc bâtir des théories uniquement sur les phénomènes qu’on peut observer et comprendre. On fabrique alors un modèle destiné à décrire le phénomène et à en prévoir ses effets.

Mais le temps passant, les technologies évoluent. Nous sommes capable de voir plus loin, plus petit… Le phénomène ne se comporte plus alors de la manière prédite par le modèle. Il est alors temps de faire évoluer le modèle. 

La matière est un des exemples les plus flagrants de ces évolutions au cours des siècles, voyons-en les grandes lignes.

Querelle antique :

Aux alentours du IVème siècle avant J.C. deux théories sont en compétition : la théorie des quatre éléments défendue par Aristote et la théorie atomique défendue par Leucippe et Démocrite.

(384 av J.C – 322 av J.C)

Aristote
Grec

La Théorie des Quatre éléments

La matière est une combinaison en proportion plus ou moins grande des quatre éléments.

La théorie des quatre éléments repose sur l’idée que toute chose est une combinaison des quatre éléments de base : l’eau, l’air, le feu et la terre. Ainsi une table sera composé principalement de terre, d’un peu d’eau et de quelques traces d’air et de feu…

Cette théorie, facilement compréhensible pour le simple paysan grec prévaudra sur l’autre concept, pourtant plus proche de la réalité qui décrivait la matière comme un assemblage de corpuscules invisibles et indivisibles appelée atomes (atomos signifiant insécable en grec) s’accrochant les uns avec les autre à l’aide de petit crochets à la manière des pièces d’un puzzle.

(460 av J.C – 370 av J.C)

Démocrite
Grec

Le modèle de l’atome crochu

La matière est constituée de particules insécables s’accrochant les unes aux autres à l’aide de crochets.

La réputation « mondiale » d’Aristote finira d’achever la théorie atomique et il faudra attendre plus de 2000 ans avant que l’on change radicalement notre conception de la matière. 

Le retour en grâce de l’atome :

Au début du XIXème siècle, nos connaissances sur la matière sont plus développées. Notre vision « philosophique » de la matière laisse place à une vision purement scientifique.

Depuis l’essor de la chimie moderne à la fin du XVIIIème siècle (Cavendish, Lavoisier…) nous sommes capables de quantifier les proportions de chaque espèces réagissant lors d’une transformation chimique.

On se rend compte alors que les substances réagissent en suivant des proportions précises et surtout de façon proportionnelles. 

Par exemple une portion d’oxyde d’azote composé de diazote et de dioxygène pèserait 30 g, une portion de dioxyde d’azote pèserait 46 g et enfin une portion de trioxyde d’azote 62 g soit une différence de 16 g à chaque fois. Les trois substances n’étant composées que des éléments azote et oxygène.

(1766 – 1844)

John Dalton
Britannique

Modèle de la boule de billard

La matière est constituée d’un assemblage de sphères de tailles et de masses différentes.

En 1810, John Dalton, scientifique britannique (celui-la même qui s’intéressera aux déficiences visuelles connues plus tard sous le nom de daltonisme), comprend alors que la matière est composée de différentes particules, de forme sphérique, possédant des tailles et des masses différentes, comme des boules de billard, surnom du modèle. Ce modèle expliquant alors parfaitement l’exemple ci-dessus.

Malheureusement les limites technologiques de l’époque (l’électricité étant encore balbutiante) l’empêche de pouvoir creuser plus loin. De quoi est constituée la sphère ? Est-elle creuse ? Pleine ? Impossible à ce moment de le savoir. Ce n’est que partie remise…

De la découvert de l’électron… :

Un peu moins d’un siècle plus tard, en 1897, John Thomson, lors de ses recherches sur les rayons cathodiques, montre l’existence d’une petite particule qu’il appelle « corpuscule » et qui prendra plus tard le nom « d’électron ». La sphère de Dalton, parfaitement lisse et uniforme n’est donc plus en mesure d’expliquer la matière.

(1856 – 1940)

Joseph J. Thomson
Britannique

Modèle du Plum-Pudding

La matière est constitué de corpuscules électriquement négatif (électrons) voyageant à travers un nuage sphérique électriquement positif.

Thomson propose alors un nouveau modèle. L’atome est toujours sphérique mais plus uniforme. Bien que parfaitement neutre il possède deux entités différentes chargées positivement et négativement et s’annulant l’une l’autre. L’atome est donc un nuage de forme sphérique chargé positivement dans lequel circule des électrons chargés négativement. 

…à la découverte du noyau :

Il ne faudra que quelques années pour que ce modèle ne devienne à son tour obsolète.

L’expérience de Rutherford :

En 1911 Ernest Rutherford, ancien élève de Thomson, réalise plusieurs études des particules α (deux ans auparavant il montra que ces particules α, connues depuis les travaux d’Henri Becquerel et du couple Curie sur la radioactivité naturelle, étaient en réalité de l’hélium débarrassé de ses électrons).

Aidé de son étudiant H. Geiger (qui inventera plus tard le compteur de radiation portant son nom) il bombarde une très fine feuille d’or avec ces particules α. Il obtient alors des résultats auxquels il ne s’attendait pas ! 

En effet la majorité des particules α traversent la feuille d’or mais une petite partie d’entre elles sont déviées vois même repartent en arrière. Résultats qui n’auraient pas dû être observés avec le modèle de Thomson.

(1871 – 1937)

Ernest Rutherford
Néo-zélandais

Expérience de Rutherford

Une feuille d’or est bombardée de particules alpha. Les impacts sont visualisés sur un écran

Rutherford en déduira trois faits :

  1. L’atome est essentiellement constitué de vide (puisque la majorité des particules ne sont pas déviées).
  2. Le centre de l’atome est très dense et chargé positivement pour que les particules α soient aussi déviées.
  3. Le troisième fait est celui qui lui pose le plus de problème. Les électrons ne sont pas mélangés au noyau positif ce qui devrait pourtant être le cas. Or ils sont situés, à distance, sans jamais chuter. 
L’apport de Niels Bohr :

Ce dernier fait fut très difficilement accepté et admis par la communauté scientifique qui ne connaissaient à l’époque que la mécanique classique. 

En fait les lois physiques connues à l’époque ne permettaient pas d’expliquer pour quoi les électrons, négatifs, ne tombaient pas vers le noyau, positif (un peu comme deux aimants se collant l’un à l’autre lorsqu’on approche leur deux pôles opposés). Comment expliquer et admettre d’ailleurs l’existence d’un noyau constitué de particules positives qui devraient se repousser entre elles. Un tel modèle ne pourrait qu’imploser !

Un des élèves de Rutherford, Niels Bohr, « réglera » le premier problème en proposant l’idée que les électrons ne pouvaient occuper que certaines orbites autour du noyau tout en pouvant passer de l’une à l’autre (sans d’ailleurs qu’il soit possible de l’observer : c’est le saut quantique).

C’est Rutherford qui se chargera lui-même du second problème en supposant l’existence d’une autre particule à l’intérieur du noyau, non chargée, destinée à neutraliser la répulsion des particules positives.

L’atome tel que nous nous le représentons commence à prendre forme : il ressemble alors à un système solaire où le Soleil serait le noyau et les planètes les électrons. 

Le noyau serait à son tour constitué de deux particules :

  • Les protons de charge électrique positive
  • Les neutrons, sans charge électrique.
(1885 – 1962)

Niels Bohr
Danois

Modèle Planétaire

La matière est désormais composée d’atomes constitués d’un noyau chargé positivement et constitué de protons et neutrons autour duquel gravitent des électrons sur des orbites bien définies.

L’atome quantique :

Si le modèle planétaire pouvait être satisfaisant aux premiers abords certains phénomènes demeuraient inexpliqués. Comment expliquer avec ce modèle le comportement de l’électron tantôt agissant comme une particule, tantôt agissant comme une onde. On est alors capable de déterminer la trajectoire d’un électron lorsqu’il se déplace ou sa position par rapport au noyau à un instant donné.

Mais on ne peut prévoir les deux en même temps, la recherche de l’un empêchant automatiquement la connaissance de l’autre.

Cette dualité et cette incertitude sur la nature des particules conduisent les scientifiques, notamment les scientifiques Louis de Broglie (français) et Werner Heisenberg (allemand) à élaborer une nouvelle vision de la physique : c’est la naissance de la mécanique quantique.

(1892 – 1987)

Louis de Broglie
Français

Modèle Quantique

La matière est constituée d’atomes constitués d’un noyau autour duquel circulent des électrons dans un nuage électronique.

(1901 – 1976)

Werner Heisenberg
Allemand

L’atome évolue donc une nouvelle fois. Si la vision du noyau n’est pas bouleversée, les électrons ne circulent plus sur des orbites mais dans un nuage électronique formant une sphère au contour incertain. La position et la trajectoire de ces derniers devenant statistique (on calcule alors la probabilité de présence de l’atome à un instant et en une région donnés).

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