Concepts Fondamentaux en Chimie et Physique : Matière, États et Mélanges

Définition de la Chimie

La chimie est la science qui étudie les phénomènes chimiques et la structure interne de la matière.

Définition de la Physique

La physique est la science qui étudie les phénomènes physiques.

Phénomènes Chimiques et Physiques

Les phénomènes physiques affectent certaines propriétés des substances sans les transformer en de nouvelles substances. Par exemple, la fusion de la glace en eau est un phénomène physique.

Les phénomènes chimiques, quant à eux, produisent de nouvelles substances et entraînent la disparition des substances initiales. Par exemple, la combustion du bois est un phénomène chimique.

Définition de la Matière

La matière est tout ce qui possède une masse et occupe un volume.

Masse et Volume : Définitions et Unités SI

La masse est la quantité de matière que contient un corps. Son unité de mesure dans le Système International (SI) est le kilogramme (kg).

Le volume est la portion d'espace occupée par un corps. Son unité de mesure dans le SI est le mètre cube (m³).

Propriétés Générales et Spécifiques de la Matière

Les propriétés générales sont celles qui sont communes à tous les corps et ne servent donc pas à les caractériser. Exemples :

• La masse
• Le volume

Les propriétés spécifiques sont les caractéristiques utilisées pour déterminer ou identifier une substance. Exemples :

• La densité
• Le point de fusion

La Densité : Définition et Unités de Mesure

Nous définissons la densité comme la quantité de masse correspondant à l'unité de volume :

d =

L'unité de mesure dans le SI est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). D'autres unités de mesure courantes sont le gramme par centimètre cube (g/cm³), le kilogramme par litre (kg/L), etc.

La densité est une propriété spécifique à chaque substance. Il existe des tables pour consulter la densité des différentes substances.

Les États d'Agrégation de la Matière

Il suffit de regarder autour de nous pour réaliser que la matière se présente sous trois états d'agrégation différents : solide, liquide et gazeux.

Changements d'État Progressifs

• Fusion : Passage de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion est une propriété caractéristique des substances. Par conséquent, il peut servir à identifier les substances. La température de fusion varie avec la pression : plus la pression diminue, plus la température de fusion diminue.
• Vaporisation : Passage de l'état liquide à l'état gazeux. Ce processus peut se produire de deux manières :
  • L'évaporation a lieu à n'importe quelle température et à la surface libre du liquide (les liquides s'évaporent à toute température).
  • L'ébullition se produit lorsque la température augmente et atteint un point où la vaporisation se manifeste dans toute la masse du liquide, formant des bulles de grande taille (remplies de vapeur de liquide) qui montent à la surface. La température à laquelle un liquide bout est appelée point d'ébullition. Elle varie avec la pression : plus la pression diminue, plus la température d'ébullition diminue.
• Sublimation : Transformation directe du solide au gaz sans passer par l'état liquide. Comme la vaporisation, elle se produit à n'importe quelle température (c'est pourquoi nous pouvons sentir l'odeur de certains solides : de petites portions de solide se subliment et se présentent sous forme de vapeur à notre nez). La plupart des substances doivent être soumises à des pressions très faibles pour que la sublimation soit significative.

Changements d'État Régressifs

• Solidification : Passage de l'état liquide à l'état solide. Se produit à la même température que la fusion. Varie avec la pression.
• Condensation : Passage de l'état gazeux à l'état liquide.
• Sublimation inverse (ou dépôt) : Passage direct de l'état gazeux à l'état solide sans passer par l'état liquide.

Les Deux Formes de Vaporisation

• Évaporation : Le passage d'une portion de surface d'un liquide à l'état de vapeur à n'importe quelle température. L'évaporation sera plus importante si la surface de contact avec l'air et la température de l'air sont plus grandes.
• Ébullition : C'est lorsque l'on applique suffisamment de chaleur à un liquide pour le faire bouillir. Dans ce cas, la transition à l'état de vapeur se produit dans toute la masse du liquide et pas seulement à sa surface.

Point et Température de Changement d'État d'une Substance

Le point de changement d'état d'une substance est la température à laquelle une substance change d'état sous une pression de 1 atmosphère. C'est une propriété caractéristique de la substance.

La température de changement d'état est la température à laquelle une substance change d'état, et celle-ci peut varier avec la pression. Elle n'est donc pas une propriété caractéristique de la substance.

Par exemple, l'eau a un point de fusion de 0 °C et un point d'ébullition de 100 °C à pression atmosphérique normale. Cependant, sa température d'ébullition varie avec la pression ; elle peut bouillir, par exemple, à une température inférieure si nous sommes en montagne où la pression est plus faible.

Théorie Cinétique Moléculaire : Gaz, Liquides et Solides

Pourquoi, à température ambiante et sous 1 atm de pression, l'eau est-elle liquide, le fer solide et l'oxygène gazeux ?

La réponse réside dans la structure interne de la matière.

Nous savons que toute la matière est composée de minuscules particules appelées atomes, et que ceux-ci sont reliés entre eux pour former des molécules ou des ions. Il existe des substances constituées d'atomes, comme les métaux ; d'autres de molécules, comme l'eau ou l'oxygène ; et d'autres d'ions, comme le sel de table.

Dans tous les cas, les forces d'attraction, appelées forces de cohésion, qui maintiennent ensemble les particules constituant une substance, sont ce qui détermine son état d'agrégation et confère à la substance les caractéristiques de chacun de ces états.

La théorie cinétique moléculaire a été créée pour expliquer le comportement des gaz et a ensuite été étendue aux liquides et aux solides.

Elle a été développée par Clausius en 1857 et est basée sur les points suivants :

Les Gaz

• Tous les gaz sont composés de très petites particules très éloignées les unes des autres. Le volume de ces particules est négligeable par rapport au volume occupé par le gaz lui-même.
• Les particules se déplacent en ligne droite et de manière aléatoire, se heurtant les unes aux autres et avec les parois de leur récipient. La vitesse de déplacement dépend de la température du gaz.
• Les forces de répulsion et d'attraction entre les particules sont négligeables, ce qui permet une grande liberté de mouvement.

Les Solides

• Les solides sont constitués de particules. Ces particules sont soumises à de très fortes forces attractives. Pour cette raison, elles ne peuvent pas se déplacer librement, elles ne peuvent que vibrer autour des positions qu'elles occupent. Si nous leur fournissons de l'énergie, les particules du solide vibrent avec une rapidité croissante.

Les Liquides

• Dans les liquides, les forces d'attraction entre les particules sont plus faibles que dans les solides. Les particules peuvent se déplacer, mais ne peuvent pas s'éloigner ou se rapprocher les unes des autres au-delà d'une certaine distance, maintenant ainsi une distance relative fixe.

Substances Pures et Mélanges : Les Différences Clés

• Les substances pures ont des propriétés caractéristiques fixes, tandis que les mélanges ont des propriétés qui varient en fonction de leur composition.
• Lors de la fusion ou de l'ébullition des substances pures, la température reste constante. Dans les mélanges, la température varie généralement pendant le changement d'état.
• Les composants d'une substance pure sont séparés par des procédés chimiques. Les composants d'un mélange sont séparés par des procédés mécaniques ou physiques.
• Les proportions dans lesquelles les substances peuvent être mélangées ne sont pas fixes pour les mélanges. Les composés, qui sont des substances pures, sont formés par des substances simples dans des proportions fixes.
• Les substances mélangées conservent leurs propriétés. Les substances qui composent un composé ne conservent pas leurs propriétés individuelles.

Méthodes de Séparation des Mélanges

Les procédures les plus courantes sont les suivantes :

• Centrifugation : Sépare les solides des liquides en se basant sur la différence de densité entre eux.
• Filtration : Sépare les solides des liquides en utilisant les différentes tailles de particules.
• Décantation : Permet de séparer un solide d'un liquide après sédimentation. Il s'agit également de la séparation de deux liquides non miscibles à l'aide d'un entonnoir à décanter.
• Chromatographie : Utilisée pour séparer les composants d'un mélange en fonction de la capacité différente des particules du mélange à adhérer à la surface d'un matériau, sous l'action d'un agent de révision (phase mobile).
• Cristallisation : Utilisée pour séparer un solide dissous dans un liquide, basée sur les différentes volatilités des substances mélangées. Elle est également employée pour séparer les impuretés d'un solide.
• Distillation : Méthode de séparation de liquides miscibles ou d'un solide dissous dans un liquide, basée sur la différence entre leurs températures d'ébullition.

Classification des Solutions par Concentration

Les solutions peuvent être :

• Diluées : Si la quantité de soluté dissous est faible par rapport à la quantité maximale qui peut être dissoute.
• Concentrées : S'il y a une quantité significative de soluté par rapport à la quantité maximale qui peut être dissoute.
• Saturées : Si la quantité maximale possible de soluté est dissoute.

Calcul de la Concentration d'une Solution

Certaines façons d'exprimer la concentration d'une solution sont :

Concentration massique =

Molarité, molalité, normalité, etc.