La matière dans tous ses états

états de la matière
Janvier 2024

La matière se présente souvent sous forme de solide, de liquide ou de gaz. Ce sont les plus connus. Mais pas que.

Solide, liquide, gaz

Nous connaissons tous trois états de la matière, auxquels nous avons à faire quotidiennement. Généralement on aime mieux parler de phase, car on parlera de changement et de diagramme de phases :

  • Phase gazeuse : les particules (atomes, molécules) n'interagissent pas (gaz parfait) ou peu, et occupent tout le volume disponible
  • Phase liquide : pas de volume ni de forme, mais prend la forme du récipient. Les particules sont faiblement liées, et pas indépendante, généralement un liquide est peu compressible.
  • Phase solide : volume propre, forme propre et les particules sont liées par des liaisons chimiques

J'espère que vous ne découvrez rien pour l'instant.

Plasma

Un quatrième état de la matière, en fait le plus courant dans l'univers (c'est celui des étoiles), est la phase plasma.

C'est un état de la matière souvent méconnu, où les atomes se séparent de tout ou partie de leurs électrons (et donc adieu toute forme de liaison chimique), ils s'ionisent pour former une espèce de soupe de particules, des ions positifs et des électrons négatifs, qui n'aura ni forme, ni volume.

Par contre, comme un plasma est tout ionisé, les électrons se baladent, il devient un bon conducteur électrique.

Une expérience populaire, dans les années 2010, consistait à placer un grain de raisin coupé en deux en ne laissant qu’une fine attache de peau entre ces moitiés (ou deux grains de raisin, ou certains autres matériaux du reste, mais la taille est importante), dans un four à micro-onde, ce qui provoque la création d'un arc électrique, et donc d'un plasma.

raisin au micro-ondes, formation d'un plasma / arc électrique
Les raisins de la colère.

Ne faites pas cela chez vous, vous risquez de dézinguer votre four à micro-onde.

Changement de phase

changement de phase
Ou liquéfaction pour la condensation ?

Lorsque l'on passe d'une phase à une autre, on utilise des termes spécifiques comme la sublimation quand on passe du solide directement au gazeux.

Vous savez certainement qu'il existe des températures spécifiques qui correspondent au changement de phase :

  • L'eau gèle à 0°C
  • L'eau s'évapore à 100°C

Et vous savez aussi que ces températures spécifiques dépendent du matériau, par exemple un métal fond à haute température (à l'exception notable du mercure), et s'évapore encore plus difficilement, il faut chauffer vraiment fort.

Diagramme de phase

Pour une matière donnée, les températures de transition dépendent aussi de la pression, aussi trace-t-on des diagrammes dits "diagramme de phase " qui ressemblent à ça :

diagramme des phases classique
Diagramme des phases en anglais, comme ça vous apprendrez les termes anglais.

On peut remarquer plusieurs points particuliers, ainsi qu'une zone bizarre où on n'arrive plus à différencier un liquide d'un gaz, ce qui montre quelque part le peu de différence entre ces deux phases.

  • D'abord il existe un point triple où les 3 états peuvent coexister. C'est une température et une pression particulière vraiment unique pour un corps pur.
  • On constate aussi l'existence d'un point critique, à partir duquel la différence gaz-liquide s'estompe. C'est l'état supercritique.

Depuis 1954, le point triple de l’eau (273,16 K et 611 Pa) définit, avec le zéro absolu, l’échelle de température thermodynamique.

diagramme des phases de l'eau
Diagramme des phases de l'eau.
Très simplifié car il existe un tas de phases différentes pour la glace.

Notez la particularité de l'eau qui présente une pente négative entre le liquide et la glace : si vous augmentez la pression, alors la glace fond. C'est le coup du fil qui coupe la glace.

expérience de Tyndall
Expérience de Tyndall

Comme il existe 3 paramètres thermodynamiques, la température, la pression et le volume occupé, on peut aussi dessiner des diagrammes en 3D, mais bon, c'est déjà assez compliqué comme ça.

Enthalpie de changement d'état

Pour changer de phase, il faut fournir ou relâcher de l'énergie (sous forme de chaleur) au matériau. C'est ce qu'on appelle l'enthalpie de changement d'état mot qui permet de frimer en public mais plus connu sous l'appellation chaleur latente, par exemple la chaleur latente de fusion de l'eau est l'énergie qu'il faut fournir à la glace pour qu'elle fonde, ce qui est fort commode pour nos apéros vu que la valeur pour la glace d'eau est énorme (voire anormale).

Il faut fournir de l'énergie pour aller dans cet ordre :

Energie et état de la matière
On verra le condensat de Bose-Einstein plus tard.

Les transitions dites d'ordre 1 présente cette histoire d'énergie à échanger à chaque changement de phase.

Mais ce n'est pas toujours le cas, et on parle alors de transitions d'ordre 2. Par exemple, pour passer de conducteur à supraconducteur (qu'on verra plus loin).

Surfusion

Il peut arriver, dans certaines circonstances, qu'un corps ne gèle pas alors que sa température est en dessous de son point de congélation : c'est la surfusion. L'eau devrait être gelée, mais elle reste liquide (vous trouverez sur le web comment faire).

Le même phénomène existe entre la phase liquide et la phase gazeuse, c'est l'état de surchauffe. L'eau reste liquide alors qu'elle devait être sous forme de vapeur. Cela peut arriver lorsque l'on chauffe de l'eau au micro-onde, et c'est très dangereux.

Ce sont des états métastables. Une perturbation peut le faire changer de phase d'un seul coup.

La création et stabilisation de l'interface entre les deux phases est à la base de ce phénomène, car la tension superficielle requiert une certaine énergie.

Acétate de sodium trihydraté

L'acétate de sodium trihydraté est le liquide contenu dans les chaufferettes qui nous réchauffe les mains l'hiver.

On place la chaufferette dans l'eau bouillante, et l'acétate devient liquide car on est au-dessus de la température de fusion qui est de 56°C. En refroidissant, l'acétate ne gèle pas mais reste en surfusion, liquide. Il suffit de le mettre en contact avec un cristal d'acétate pour détruire l'état de surfusion, l'acétate gèle d'un coup en libérant sa chaleur latente de fusion...

Un cristal d'acétate (de la précédente cristallisation) est libéré en appuyant sur le clip métallique.
Et la pochette commence à chauffer vers les 56°C, un peu moins car l'énergie est diffusée.

État supercritique

Au-delà du point critique, la différence gaz-liquide s'estompe et le corps peut posséder des propriétés à la fois du gaz et du liquide.

diagramme des phases CO2
Diagramme des phases du gaz carbonique.

À pression atmosphérique, la température de la glace carbonique est de moins de -78°C.

À plus de 74 bar et de 31°C, le CO2 devient supercritique. Le fluide obtenu est caractérisé par une grande diffusivité, de l'ordre de celles des gaz, et une densité élevée qui le dote d'une capacité de transport et d'extraction importante.

Le procédé DIAMANT® de la société Diam Bouchage. exploite les propriétés du CO2 supercritique pour extraire les composés volatils du liège et éradiquer les molécules susceptibles de donner un goût au vin, notamment le risque de « goût de bouchon ». Ayant bossé avec eux, je peux vous dire que c'est impressionnant.

Super et supra

État supercritique ? Eh bien des trucs avec des noms "au-dessus de tout", au-dessus des lois, même des lois physiques ? nous en avons d'autres. Voici ces phénomènes de foire 😁 :

  • Un condensat de Bose-Einstein : dans un tel condensat, les atomes qui se comportent habituellement comme des fermions, deviennent des bosons et adoptent un comportement collectif très inhabituel.
  • La superfluidité : un matériau superfluide, non seulement ne possède pas de viscosité (tout l'inverse du miel) ce qui lui fait faire des choses magiques comme se barrer tout seul d'un récipient, mais en plus peut transporter la chaleur sans présenter de résistance thermique.
  • La supraconductivité : les électrons qui conduisent le courant ont la fâcheuse tendance à se cogner contre les atomes du conducteur. Ils perdent de l'énergie, c'est l'effet Joule rencontré dans une résistance électrique, celle qui chauffe nos radiateurs. Eh bien en certaines circonstances, ces électrons font fi du réseau cristallin et parcourent le conducteur sans perte.

Une chose commune est que ces phénomènes sont observés plutôt à très basse température, près du zéro absolu (-273.15°C). On cherche à observer ces phénomènes à température ambiante, et ce n'est pas gagné...


Je vous invite par commencer par le condensat de Bose-Einstein car tous ces phénomènes ont la particularité de montrer une sorte de comportement collectif, et le condensat est un état assez basique.