États de la matière : solide, liquide, gaz et plasma

Trois façons de bouger

Tout ce qui vous entoure est fait de particules qui ne cessent jamais de bouger. Dans un solide, elles vibrent sur place, verrouillées dans leur position, si bien qu’un solide garde sa forme. Dans un liquide, elles restent proches mais glissent les unes contre les autres, donc un liquide garde son volume mais épouse la forme de son récipient. Dans un gaz, elles sont éloignées et volent librement, donc un gaz remplit tout récipient qu’on lui donne. La température mesure la vitesse moyenne des particules. Faites glisser la température dans le bac à sable et regardez les mêmes particules passer du tremblement au glissement, puis au vol.

Les deux grands nombres de l’eau

À la pression du niveau de la mer, 101,325 kPa, l’eau fond et gèle à 0 °C et bout à 100 °C. Remarquez une chose étrange pendant que la glace fond : la température reste à 0 °C jusqu’à ce que toute la glace ait disparu, car la chaleur sert à desserrer les liaisons entre les molécules plutôt qu’à les accélérer. Faire fondre 1 kg de glace demande environ 334 kJ. Transformer 1 kg d’eau bouillante en vapeur demande environ 2 260 kJ, près de sept fois plus, ce qui explique la gravité des brûlures par la vapeur. L’image suit un bloc de glace que l’on chauffe et trace la courbe de température avec ses paliers plats.

Le plasma

Chauffez un gaz assez fort et ses atomes commencent à perdre des électrons. Le résultat est un plasma : un gaz d’ions chargés et d’électrons libres qui brille et conduit l’électricité. La foudre change en plasma l’air de son canal à environ 30 000 K. Le Soleil est une boule de plasma, et les étoiles aussi, ce qui fait du plasma l’état le plus courant de la matière visible de l’Univers. Sur Terre, on le rencontre dans les enseignes au néon et dans les aurores près des pôles. On l’appelle souvent le quatrième état de la matière. Sur l’image, les atomes perdent des électrons qui s’envolent comme des étincelles de lumière pendant que la température monte.

La pression déplace le point d’ébullition

L’eau bout quand sa pression de vapeur égale la pression de l’air au-dessus d’elle. Retirez une partie de cette pression et elle bout plus tôt. Au sommet de l’Everest, où la pression de l’air représente environ un tiers de celle du niveau de la mer, l’eau bout à environ 70 °C, de quoi décevoir un buveur de thé. Augmentez la pression et c’est l’inverse. Une cocotte-minute garde la vapeur enfermée jusqu’à ce que la pression atteigne environ deux fois celle de l’air, si bien que l’eau bout à environ 120 °C et que les aliments cuisent plus vite. Sur le diagramme de phases, un point marque l’état de l’eau pour chaque température et chaque pression ; déplacez-le et voyez dans quelle région il tombe.

L’exception : la glace flotte

La plupart des liquides se contractent en gelant. L’eau fait le contraire. L’eau liquide est la plus dense vers 4 °C, et en dessous, ses molécules commencent à s’emboîter selon un motif hexagonal ouvert, tenu par des liaisons hydrogène. La glace occupe donc environ 9 % de place en plus que l’eau dont elle vient, avec une masse volumique de 0,92 g/cm³ contre presque 1,00 pour l’eau liquide, et c’est pourquoi la glace flotte. En hiver, un lac se refroidit jusqu’à ce que l’eau de sa surface atteigne 4 °C, l’eau la plus dense coule, et la glace se forme au-dessus comme un couvercle. Dessous, l’eau reste liquide et les poissons survivent. Dans le bac à sable, refroidissez l’eau de 10 °C vers 0 °C et regardez les particules s’ouvrir en un réseau.

Les états de la matière