Les états de la matière – WUS#15

Tout le monde a une plus ou moins vague idée de ce que sont les états de la matière. L’état solide, l’état liquide et l’état gazeux sont les trois formes qu’on rencontre régulièrement, et on a généralement une idée assez intuitive de ce qu’elles représentent. Et pourtant, on va voir que bien des fois, non seulement la frontière entre ces différents états peut s’avérer très floue, mais qu’en plus il existe d’autres états de la matière aux propriétés remarquables. Bienvenue dans le monde fantastique de la matière !

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La matière

« La matière est faite d’atomes. » Si tout le savoir disparaissait et qu’il n’y avait qu’une phrase à laisser aux générations futures, ce serait celle-là, selon Richard Feynman, un physicien Américain, prix Nobel de physique 1965 et grand vulgarisateur. Tout ce qui nous entoure, ce dont nous sommes faits : plein d’atomes (mais alors vraiment plein), des petites particules de différentes sortes qui composent la matière que nous connaissons.

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Une molécule d’eau

Les différents « types » de matière correspondent donc aux différentes manières dont ces atomes s’organisent entre eux. Notons déjà que les atomes s’agencent entre eux et créent des liaisons pour former des molécules. Par exemple l’eau est notée H2O. En fait, un atome est typiquement composé d’un noyau, qui contient des neutrons et des protons, et d’électrons, qui gravitent autour. Les atomes sont régis par certaines règles de stabilité, qui indiquent souvent que les électrons qu’ils ont « en trop » ou « pas suffisamment » peuvent se recombiner avec ceux d’autres atomes (via des échanges mutuels par exemple) pour former des liaisons, créant ainsi des molécules plus stables (plus stables car grossièrement tous les atomes ont leur bon nombre d’électrons) ou des ions (des espèces chimiques chargées électriquement). On reverra tout ça en détail et plus rigoureusement dans un prochain billet ! En réalité, à l’échelle de l’atome et de l’électron (10-10 m), c’est une description quantique qui est nécessaire pour comprendre le comportement de ces particules.

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Solide, liquide, gaz

Solide et liquide constituent ce qu’on appelle la matière condensée : un grand nombre de particules en interaction forte via des liaisons chimiques.

Les liaisons

Il existe plusieurs types de liaisons :

– les liaisons covalentes, liaisons chimiques correspondant à un partage d’une (ou plusieurs) paire d’électrons entre deux atomes. L’énergie à apporter à un système pour casser ces liaisons est souvent importante, si bien qu’il est difficile de séparer les atomes. En pratique un matériau comprenant beaucoup de liaisons covalentes sera plutôt dur.

– les liaisons ioniques, liaisons chimiques liant deux ions de charge électrique différente, ou plus généralement une différence d’électronégativité importante. Il n’y a cette fois pas d’échange de particule a priori, mais ce type de liaison s’appuie toujours sur une liaison covalente

– les liaisons hydrogène, liaisons chimiques qui résultent d’un effet électrostatique entre un atome d’hydrogène et un atome d’oxygène, d’azote ou de fluor. Ces liaisons sont moins difficiles à casser que les liaisons covalentes.

– On trouve également les liaisons métalliques, où les électrons sont partagés dans tout un métal, et les liaisons de Van der Waals, interactions électriques plus faibles.

L’état solide

Dans le cas du solide, les atomes et les molécules sont comme soudés : les liaisons entre particules sont très fortes (liaisons covalentes, ioniques ou métalliques), et n’autorisent pas (ou très peu) de mouvements entre elles.

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On distingue plusieurs types de solide. Ceux pour lesquels les atomes sont organisés périodiquement, formant un ordre à grande échelle, un réseau périodique sont appelés solides cristallins, ou plus simplement cristaux (c’est le cas des métaux, du sucre, mais aussi de la neige).

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D’autres n’ont pas de telle structure organisée, mais plutôt un ordre à petite échelle, comme un liquide qui se serait figé. On les appelle les verres, ou les solides amorphes. C’est une définition plus vaste que l’idée que l’on se fait du verre dans le sens commun.

Enfin, ni tout à fait des cristaux, ni tout à fait des verres, nous avons les polymères (comme les matières plastiques ou les fibres), sortes de grosses molécules dans lesquelles un motif se répète.

L’état liquide

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Après cette zoologie des solides, si j’ose dire, passons à l’état liquide. Cette fois, il y a toujours des liaisons entre molécules, mais ce sont principalement des liaisons faibles qui permettent aux molécules de bouger et tourner les unes par rapport aux autres, tout en maintenant une certaine cohésion. Typiquement dans le cas de l’eau liquide, ce sont des liaisons hydrogène (un atome d’hydrogène et un atome de carbone) qui lient les molécules. Il n’y a donc pas d’ordre dans cet état, pas de motif qui se répète.

Les liquides n’ont pas de forme propre, en revanche elles ont un volume propre, puisqu’ils sont assez peu compressibles. Une grandeur qui caractérise un liquide est sa viscosité, c’est-à-dire sa capacité à s’opposer au mouvement d’un corps qui le traverse. Par exemple plonger dans une piscine d’eau et plonger dans une piscine de miel n’aura pas le même effet : dans le cas de la piscine de miel il est fort probable que vous descendriez moins bas. Cette viscosité est liée à la force des liaisons dans les différents liquides.

Les liquides ne sont pas toujours miscibles, c’est-à-dire qu’ils ne se mélangent pas forcément. (Prenez l’huile et le vinaigre par exemple).

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Un schéma de l’eau liquide. Les bâtonnets beiges représentent les liaisons covalentes, et les tirets noirs les liaisons hydrogène.

Solide ou liquide ? Petite remarque en passant : Souvent, quand on cherche un peu à faire ce genre de classification, on parle beaucoup des minéraux mais peu de la matière organique. Peut-être parce que c’est un peu plus compliqué à définir. On dit que les êtres vivants sont faits d’eau majoritairement. Le sang est indéniablement liquide. Mais sommes-nous liquides pour autant ? A priori non. D’une part il y a les os, indéniablement solides. D’autre part, un tissu biologique est en réalité constitué d’un ensemble de cellules. Ces cellules contiennent de l’eau, et tout un tas d’autre chose. Mais le point clef – à mon sens – réside dans la membrane qui sépare ces cellules, la membrane plasmique, qui elle est formée de molécules qui s’assemblent de façon covalente. Donc un tissu biologique n’est ni totalement solide, ni totalement liquide.

Il existe de nombreux états intermédiaires à la frontière solide/liquide. Les gels et les pâtes. Pour identifier le caractère plutôt liquide ou plutôt solide de ces matériaux, un moyen simple est de le fendre en deux. Si les liaisons entre molécules se remettent en place et qu’il n’y a plus trace de la rupture, il s’agit plutôt d’un liquide, tandis que pour un solide les liaisons sont brisées. On dit qu’on teste la rupture d’un matériau.

L’état gazeux

Dans le cas des gaz, il n’y a pas de liaisons entre les différentes molécules. Elles peuvent évoluer librement dans l’espace, on considère même parfois qu’elles n’interagissent pas entre elles (c’est le modèle du gaz parfait). On aura l’occasion d’y revenir, mais un gaz tend d’ailleurs à occuper tout l’espace dans lequel il n’est contenu, il n’a pas de volume propre. Les gaz sont donc toujours miscibles.

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Souvent un solide est plus lourd qu’un liquide qui est plus lourd qu’un gaz. Cela est dû au fait que plus les liaisons sont fortes, plus la matière est condensée et donc plus il y a d’atomes dans un volume donné. On parle de différences de densité (concentration d’atomes).

 

Les transitions de phase

Vous avez déjà probablement remarqué que les glaçons fondent au Soleil ! On peut donc passer d’un état de la matière à un autre. En fait les différents états de la matière ne sont pas stables dans les mêmes conditions de température et de pression. Ainsi, pour l’eau, à pression égale, la glace est la plus stable à basse température, puis l’eau liquide est stable à température ambiante, puis la vapeur d’eau quand la température est élevée. On peut ainsi faire des diagrammes représentant les différents domaines de stabilité des différentes phases, judicieusement intitulés « diagrammes de phase ».

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Le diagramme de phase de l’eau

Les lignes du diagramme représentent les coordonnées où un équilibre entre deux phases peut exister. Le point triple est un point particulier où les trois états peuvent coexister. Les transitions entre phases (solidification, liquéfaction, sublimation, condensation, fusion, vaporisation) sont des phénomènes physiques assez complexes à modéliser (car beaucoup de paramètres changent brusquement).

Les cas pathologiques : Fluide supercritique, superfluide

Vous avez peut-être remarqué sur le diagramme précédent qu’il existe un autre point particulier, appelé point critique, autour duquel il n’y a plus de distinction entre gaz et liquide. Ce n’est pas une erreur : dans une certaine gamme de température et de pression, on ne peut plus faire de distinction entre liquide et gaz ! On parle alors de fluide supercritique, dont les propriétés sont intermédiaires entre celles des liquides et celles des gaz. Il s’agit d’un état de la matière à part.

Dans des conditions extrêmes (à très basse température) on observe aussi un autre état de la matière : le superfluide ! Découverte en 1937, la superfluidité de l’hélium (expliquée dans le cadre de la théorie quantique) est l’état dans lequel l’hélium n’a plus aucune viscosité ! Le superfluide n’oppose aucune résistance à l’écoulement, quelle que soit la pression.

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Certains théoriciens prévoient l’existence d’un autre état : la supersolidité. Mais elle n’a jamais été mise en évidence à ce jour. Nous aurons l’occasion de revenir sur ces états dans des billets dédiés.

Le plasma

On a vu jusque-là les trois états de base, et leurs états intermédiaires ou bien dérivés. Mais il existe d’autres formes de matière dont les propriétés sont si différentes qu’ils constituent un état en soi.

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Le plasma est ce qu’on appelle un gaz ionisé. Il s’agit d’un gaz dans lequel on trouve un très grand nombre d’électrons libres (à peu près autant que de molécules neutres). Contrairement à un gaz, le plasma est donc un état très conducteur. On dit souvent que 99% de la matière observée dans l’univers est sous la forme de plasma. Sur Terre, on peut en observer dans les aurores boréales, ou dans les queues des comètes. On sait désormais relativement bien maîtriser cet état et on trouve un certain nombre d’applications dans la vie quotidienne (écran plasma, lampe plasma,…).

Le condensat de Bose-Einstein

Le petit dernier des états de la matière, mis en évidence en 1995 : le condensat de Bose-Einstein ! Un état tout à fait étonnant, difficile à obtenir ET à décrire, puisque son comportement est purement quantique. Cet état a valu le prix Nobel de physique 2001 à ses découvreurs, et avait été prédit dès 1925 par Einstein.

La théorie quantique prévoit que les particules peuvent se mettre dans différents états d’énergie. On sait désormais refroidir des atomes à une température très faible, de l’ordre du nanoKelvin. Dès que la température est suffisamment faible, on observe pour certaines particules (des bosons, particules qui possèdent un spin entier – voir mon billet sur l’IRM pour la notion de spin) une tendance à se regrouper, se condenser de sorte que toutes les particules se trouvent dans le même état quantique (ce qui n’est pas du tout observé à température ambiante), formant une sorte de « soupe quantique » où les particules indiscernables se comportent comme une onde de matière. On aura l’occasion de réexpliquer tout ça une autre fois ! Il s’agit juste pour l’instant de vous donner des notions de ce que peuvent être les différents états.

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L’évolution de la distribution des vitesses avant et après la création d’un condensat. L’apparition du pic montre qu’il existe un endroit de l’espace où les particules ont toutes la même vitesse. Ce sont des mesures de ce genre qui ont montré l’existence de condensats de Bose-Einstein.

Cet état très particulier, ce « nuage » de particules dans le même état, est très étudié à l’heure actuelle, on ne sait d’ailleurs pas faire de condensats de Bose-Einstein pour tous les atomes. Difficile de dire quelles pourraient être les applications de cet état tant il est encore difficile à obtenir.

 

Conclusion et antimatière

Voilà pour ce billet sur la matière ! J’espère qu’il vous aura plu et permis de découvrir des états que vous ne connaissiez pas ! Je trouve fascinante la diversité des formes que peuvent prendre la matière. L’étude de la matière est un domaine incroyablement riche de la physique actuelle et un véritable moteur transformateur de la société (matières plastiques, semi-conducteurs, matériaux résistants,…).

Je n’ai parlé que de la matière standard, mais les expériences du CERN ont aussi pu isoler brièvement de l’antimatière : de la matière aux propriétés analogues à celle que l’on connaît mais aux charges électriques inversées. D’autre part, on parle aussi de matière noire, matière hypothétique permettant d’expliquer un certain nombre d’observations astrophysiques. Mais ce sera pour une autre fois !

 

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