Historiquement, la distinction est faite sur la base de différences qualitatives dans les propriétés. La matière à l’état solide conserve un volume et une forme fixes, avec des particules constitutives (atomes, molécules ou ions) proches les unes des autres et fixées en place. La matière à l’état liquide conserve un volume fixe, mais a une forme variable qui s’adapte à son contenant. Ses particules sont toujours proches les unes des autres mais se déplacent librement. La matière à l’état gazeux a un volume et une forme variables, qui s’adaptent tous deux à leur contenant. Ses particules ne sont ni proches les unes des autres ni fixées en place. La matière à l’état de plasma a un volume et une forme variables, mais, en plus des atomes neutres, elle contient un nombre important d’ions et d’électrons, qui peuvent tous deux se déplacer librement. Le plasma est la forme la plus courante de matière visible dans l’univers.
Les quatre états fondamentaux de la matière. Dans le sens des aiguilles d’une montre, à partir du haut à gauche, il s’agit du solide, du liquide, du plasma et du gaz, représentés respectivement par une sculpture de glace, une goutte d’eau, l’arc électrique d’une bobine de tesla et l’air autour des nuages.
Les quatre états fondamentaux
Solide
Dans un solide, les particules (ions, atomes ou molécules) sont étroitement regroupées. Les forces entre les particules sont fortes de sorte que les particules ne peuvent pas se déplacer librement mais seulement vibrer. Par conséquent, un solide a une forme stable et définie, ainsi qu’un volume défini. Les solides ne peuvent changer de forme que par la force, comme lorsqu’ils sont cassés ou coupés.
Dans les solides cristallins, les particules (atomes, molécules ou ions) sont emballées selon un modèle régulièrement ordonné et répétitif. Il existe différentes structures cristallines, et une même substance peut avoir plus d’une structure (ou phase solide). Par exemple, le fer a une structure cubique centrée sur le corps à des températures inférieures à 912 °C et une structure cubique centrée sur la face entre 912 et 1394 °C. La glace a quinze structures cristallines connues, ou quinze phases solides, qui existent à diverses températures et pressions.
Les classes et autres solides amorphes non cristallins sans ordre à longue portée ne sont pas des états fondamentaux d’équilibre thermique ; ils sont donc décrits ci-dessous comme des états non classiques de la matière.
Les solides peuvent être transformés en liquides par fusion et peuvent aussi se transformer directement en gaz par le processus de sublimation.
Liquide
Structure d’un liquide classique à un seul atome. Les atomes ont de nombreux voisins les plus proches en contact, mais aucun ordre à longue portée n’est présent.
Un liquide est un fluide presque incompressible qui épouse la forme de son récipient mais conserve un volume (presque) constant indépendant de la pression. Le volume est défini si la température et la pression sont constantes. Lorsqu’un solide est chauffé au-dessus de son point de fusion, il devient liquide, à condition que la pression soit supérieure au point triple de la substance. Les forces intermoléculaires (ou interatomiques ou interioniques) sont toujours importantes, mais les molécules ont suffisamment d’énergie pour se déplacer les unes par rapport aux autres et la structure est mobile. Cela signifie que la forme d’un liquide n’est pas définie mais est déterminée par son contenant. Le volume est généralement supérieur à celui du solide correspondant, l’exception la plus connue étant l’eau, H2O. La température la plus élevée à laquelle un liquide donné peut exister est sa température critique.
Gaz
Les espaces entre les molécules de gaz sont très grands. Les molécules de gaz ont des liaisons très faibles, voire inexistantes. Les molécules du « gaz » peuvent se déplacer librement et rapidement.
Un gaz est un fluide compressible. Non seulement un gaz se conformera à la forme de son récipient, mais il se dilatera également pour remplir le récipient.
Dans un gaz, les molécules ont suffisamment d’énergie cinétique pour que l’effet des forces intermoléculaires soit faible (ou nul pour un gaz idéal), et la distance typique entre molécules voisines est beaucoup plus grande que la taille des molécules. Un gaz n’a pas de forme ou de volume défini, mais occupe la totalité du récipient dans lequel il est confiné. Un liquide peut être transformé en gaz en le chauffant à pression constante jusqu’au point d’ébullition, ou bien en réduisant la pression à température constante.
À des températures inférieures à sa température critique, un gaz est également appelé vapeur, et peut être liquéfié par compression seule sans refroidissement. Une vapeur peut exister en équilibre avec un liquide (ou un solide), auquel cas la pression du gaz est égale à la pression de vapeur du liquide (ou du solide).
Un fluide supercritique (SCF) est un gaz dont la température et la pression sont respectivement supérieures à la température critique et à la pression critique. Dans cet état, la distinction entre liquide et gaz disparaît. Un fluide supercritique possède les propriétés physiques d’un gaz, mais sa densité élevée lui confère des propriétés de solvant dans certains cas, ce qui conduit à des applications utiles. Par exemple, le dioxyde de carbone supercritique est utilisé pour extraire la caféine dans la fabrication du café décaféiné.
Plasma
Dans un plasma, les électrons sont arrachés à leur noyau, formant une « mer » d’électrons. Cela lui confère la capacité de conduire l’électricité.
Comme un gaz, le plasma n’a pas de forme ou de volume défini. Contrairement aux gaz, les plasmas sont électriquement conducteurs, produisent des champs magnétiques et des courants électriques, et répondent fortement aux forces électromagnétiques. Les noyaux chargés positivement nagent dans une « mer » d’électrons dissociés qui se déplacent librement, de la même façon que ces charges existent dans un métal conducteur. En fait, c’est cette « mer » d’électrons qui permet à la matière à l’état de plasma de conduire l’électricité.
L’état de plasma est souvent mal compris, mais il est en fait assez commun sur Terre, et la majorité des gens l’observent régulièrement sans même s’en rendre compte. Les éclairs, les étincelles électriques, les lumières fluorescentes, les néons, les télévisions à plasma, certains types de flammes et les étoiles sont tous des exemples de matière éclairée à l’état de plasma.
Un gaz est généralement converti en plasma de l’une des deux manières suivantes, soit à partir d’une énorme différence de tension entre deux points, soit en l’exposant à des températures extrêmement élevées.
Chauffer la matière à des températures élevées provoque le départ des électrons des atomes, ce qui entraîne la présence d’électrons libres. À des températures très élevées, telles que celles présentes dans les étoiles, on suppose qu’essentiellement tous les électrons sont « libres », et qu’un plasma à très haute énergie est essentiellement constitué de noyaux nus nageant dans une mer d’électrons.
Transitions de phase
Ce diagramme illustre les transitions entre les quatre états fondamentaux de la matière.
Un état de la matière est également caractérisé par des transitions de phase. Une transition de phase indique un changement de structure et peut être reconnue par un changement brusque des propriétés. Un état distinct de la matière peut être défini comme tout ensemble d’états se distinguant de tout autre ensemble d’états par une transition de phase. On peut dire que l’eau a plusieurs états solides distincts. L’apparition de la supraconductivité est associée à une transition de phase, il existe donc des états supraconducteurs. De même, les états ferromagnétiques sont délimités par des transitions de phase et possèdent des propriétés distinctes. Lorsque le changement d’état se produit par étapes, les étapes intermédiaires sont appelées mésophases. De telles phases ont été exploitées par l’introduction de la technologie des cristaux liquides.
L’état ou la phase d’un ensemble donné de matière peut changer en fonction des conditions de pression et de température, passant à d’autres phases lorsque ces conditions changent pour favoriser leur existence ; par exemple, le solide passe au liquide avec une augmentation de la température. Près du zéro absolu, une substance existe sous forme solide. Lorsque l’on ajoute de la chaleur à cette substance, elle fond en un liquide à son point de fusion, bout en un gaz à son point d’ébullition, et si elle est chauffée suffisamment haut, elle entrerait dans un état de plasma dans lequel les électrons sont tellement énergisés qu’ils quittent leurs atomes parents.
Les formes de matière qui ne sont pas composées de molécules et qui sont organisées par des forces différentes peuvent également être considérées comme des états différents de la matière. Les superfluides (comme le condensat fermionique) et le plasma quark-gluon en sont des exemples.
Dans une équation chimique, l’état de la matière des produits chimiques peut être représenté par (s) pour solide, (l) pour liquide et (g) pour gaz. Une solution aqueuse est désignée par (aq). La matière à l’état de plasma est rarement utilisée (voire pas du tout) dans les équations chimiques, il n’existe donc pas de symbole standard pour la désigner. Dans les rares équations où le plasma est utilisé le plasma est symbolisé par (p).
États non classiques
Verre
Le verre est un matériau solide non cristallin ou amorphe qui présente une transition vitreuse lorsqu’il est chauffé vers l’état liquide. Les verres peuvent être constitués de classes de matériaux assez différentes : réseaux inorganiques (comme le verre à vitre, constitué de silicate plus des additifs), alliages métalliques, fusions ioniques, solutions aqueuses, liquides moléculaires et polymères. Sur le plan thermodynamique, un verre est dans un état métastable par rapport à son homologue cristallin. Le taux de conversion est cependant pratiquement nul.
Cristaux présentant un certain degré de désordre
Un cristal plastique est un solide moléculaire présentant un ordre de position à longue portée mais dont les molécules constitutives conservent une liberté de rotation ; dans un verre orienté, ce degré de liberté est figé dans un état désordonné trempé.
De même, dans un verre de spin, le désordre magnétique est gelé.
États de cristaux liquides
Les états de cristal liquide ont des propriétés intermédiaires entre les liquides mobiles et les solides ordonnés. Généralement, ils sont capables de s’écouler comme un liquide, mais en présentant un ordre à longue portée. Par exemple, la phase nématique est constituée de longues molécules en forme de tige, comme le para-azoxyanisole, qui est nématique dans la plage de température 118-136 °C. Dans cet état, les molécules circulent comme dans un liquide, mais elles pointent toutes dans la même direction (à l’intérieur de chaque domaine) et ne peuvent pas tourner librement.
D’autres types de cristaux liquides sont décrits dans l’article principal sur ces états. Plusieurs types ont une importance technologique, par exemple, dans les écrans à cristaux liquides.
Magnétiquement ordonnés
Les atomes de métaux de transition ont souvent des moments magnétiques dus au spin net des électrons qui restent non appariés et ne forment pas de liaisons chimiques. Dans certains solides, les moments magnétiques sur différents atomes sont ordonnés et peuvent former un ferromagnétique, un antiferromagnétique ou un ferrimagnétique.
Dans un ferromagnétique – par exemple, le fer solide – le moment magnétique sur chaque atome est aligné dans la même direction (dans un domaine magnétique). Si les domaines sont également alignés, le solide est un aimant permanent, qui est magnétique même en l’absence d’un champ magnétique externe. L’aimantation disparaît lorsque l’aimant est chauffé au point de Curie, qui pour le fer est de 768 °C.
Un antiferromagnétique possède deux réseaux de moments magnétiques égaux et opposés, qui s’annulent de sorte que l’aimantation nette est nulle. Par exemple, dans l’oxyde de nickel(II) (NiO), la moitié des atomes de nickel ont des moments alignés dans une direction et l’autre moitié dans la direction opposée.
Dans un ferrimagnétique, les deux réseaux de moments magnétiques sont opposés mais inégaux, de sorte que l’annulation est incomplète et qu’il existe une aimantation nette non nulle. Un exemple est la magnétite (Fe3O4), qui contient des ions Fe2+ et Fe3+ avec des moments magnétiques différents.
Notes et références
- 2005-06-22, MIT News : Les physiciens du MIT créent une nouvelle forme de matière Citat : « … Ils sont devenus les premiers à créer un nouveau type de matière, un gaz d’atomes qui présente une superfluidité à haute température. »
- 2003-10-10, Science Daily : Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
- 2004-01-15, ScienceDaily : Découverte probable d’une nouvelle phase supersolide de la matière Citat : « …Nous avons apparemment observé, pour la première fois, un matériau solide présentant les caractéristiques d’un superfluide…mais comme toutes ses particules sont dans un état quantique identique, il reste un solide même si les particules qui le composent circulent continuellement… »
- 2004-01-29, ScienceDaily : Des scientifiques du NIST/Université du Colorado créent une nouvelle forme de matière : Un condensat fermionique
- Courtes vidéos démontrant les états de la matière, les solides, les liquides et les gaz par le professeur J M Murrell, Université de Sussex
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