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Dans de nombreux contextes, les termes « phases de la matière » et « états de la matière » sont utilisés de manière interchangeable comme s’ils étaient synonymes. La même chose peut être dite en ce qui concerne les changements de phase et les changements d’état. Cependant, il existe des différences subtiles qui font que ces termes ne sont pas exactement les mêmes.
Ensuite, nous explorerons ces différences pour apprendre à distinguer clairement quand on parle de phases et quand on parle d’états de la matière.
Quels sont les états de la matière ?
Les états de la matière sont les différentes manières dont les particules qui la composent peuvent s’additionner ou s’unir. Pour cette raison, ils sont aussi appelés états d’agrégation de la matière . Ces états sont essentiellement définis en fonction de la mobilité que leurs particules présentent dans la structure de la substance.
En ce sens, une même substance peut généralement trouver les quatre états de la matière suivants :
- État solide : caractérisé par le fait qu’il est formé de corps de forme et de volume définis. A l’état solide, toutes les particules sont confinées dans une position fixe, avec très peu de liberté de mouvement. Cela donne aux solides à la fois un volume défini et une forme définie.
- État liquide : dans les liquides, les particules qui composent une substance sont très proches les unes des autres, mais leur union est suffisamment lâche pour permettre aux particules de s’écouler et de glisser d’un endroit à l’autre avec une relative liberté. Pour cette raison, les liquides ont un volume défini, mais pas une forme définie, acquérant la forme du récipient qui les contient.
- État gazeux : dans cet état, les particules sont essentiellement séparées les unes des autres, interagissant très peu les unes avec les autres. Les substances à l’état gazeux se caractérisent par des densités très faibles et par le fait qu’elles n’ont ni forme ni volume définis.
- Plasma : Un plasma est un mélange gazeux d’électrons libres et d’ions positifs (cations) qui se forment en chauffant des gaz à des températures très élevées. Ces températures sont si élevées que lorsqu’elles entrent en collision, les atomes s’arrachent littéralement les électrons les uns des autres. La matière des étoiles est à l’état de plasma, dans la plupart d’entre elles.
De nombreuses substances peuvent exister dans n’importe lequel de ces états, tandis que d’autres ne le peuvent pas. L’eau est l’exemple type d’une substance que l’on peut trouver à l’état solide, liquide et gazeux, voire tous à la fois dans des conditions relativement normales. D’autre part, le saccharose ou sucre de table commun peut exister à l’état solide (comme nous le trouvons normalement), et nous pouvons également le faire fondre, devenant ainsi un liquide comme lorsque nous faisons du caramel. Cependant, si nous continuons à chauffer le saccharose fondu, au lieu de se transformer en un état gazeux, il se décompose ou se carbonise généralement avant de se transformer en un état gazeux.
En plus de ces états courants, il existe d’autres états moins courants qui n’existent que dans des conditions très extrêmes de température et de pression. Par exemple, il y a le condensat de Bose-Einstein qui ne se forme qu’à des températures extrêmement basses, très proches du zéro absolu ; l’ état dégénéré de la matière qui existe dans des conditions de densités extrêmement élevées, comme dans les étoiles à neutrons qui se forment après la mort d’une étoile, et les plasmas quark-gluon , qui ne se forment que dans des conditions d’énergie extrêmement élevées.
Facteurs affectant les états de la matière
Qu’une substance donnée soit sous forme solide, liquide ou gazeuse dépend d’une compétition entre les forces qui tentent de maintenir ses particules ensemble et les forces qui tendent à les séparer. Les forces d’interaction qui existent entre ses particules, ou forces de cohésion, tendent à unir les particules, tandis que les vibrations thermiques tendent à les séparer. D’autre part, une pression élevée tend à rapprocher les particules, facilitant l’interaction entre les particules et tendant à les condenser.
Quelles sont les phases de la matière ?
La notion de phase est différente de celle d’état. En physique et en chimie, une phase de la matière fait référence à une portion de matière ou à une zone ou région d’un système dans lequel les propriétés physiques et chimiques sont uniformes ou homogènes.
Cela peut sembler être un concept similaire à celui d’état, car il existe des cas dans lesquels une substance dans un état physique se présente également sous la forme d’une seule phase. Cela se produit, par exemple, dans le cas de l’eau. L’eau à l’état gazeux, c’est-à-dire la vapeur d’eau, est en même temps une phase, puisque la vapeur d’eau est essentiellement homogène. Il en va de même pour l’eau liquide et la glace. Dans ces cas, parler de la phase gazeuse de l’eau revient fondamentalement à parler de l’eau à l’état gazeux.
Cependant, il existe d’autres substances qui peuvent exister sous différentes formes bien qu’elles soient dans le même état. Un exemple est l’oxyde de silicium ou la silice, qui peuvent exister sous différentes phases, toutes à l’état solide. Selon les conditions de température et de pression, la silice peut exister sous forme de quartz-a, quartz-β, cristobalite, tridymite, coésite, etc. Chacune de ces phases sont toutes à l’état solide et chacune d’elles a une structure particulière et des propriétés physico-chimiques différentes des autres.
Phases dans les systèmes multicomposants
Les phases et les états de la matière sont faciles à comprendre dans le cas de corps purs ou de systèmes constitués d’un seul composant. Cependant, lorsque nous mélangeons divers composants pour former des systèmes binaires, ternaires et plus complexes, des comportements inattendus de la matière peuvent survenir.
Dans ces cas, un grand nombre de phases différentes peuvent se former en fonction de la composition du système et des proportions dans lesquelles se trouvent les différents composants. Les alliages sont des exemples clairs de ces systèmes complexes dans lesquels nous pouvons obtenir des propriétés radicalement différentes en mélangeant des métaux entre eux.
Le concept de phase est également très utile pour décrire des mélanges de liquides non miscibles tels que l’huile et l’eau. Bien que, dans son ensemble, le système soit à l’état liquide, il est évident qu’il existe deux phases distinctes, l’une formée par l’huile flottant au-dessus de la phase aqueuse. A noter que, dans ce cas, cela n’a pas de sens de parler d’un « état » huileux ou organique et d’un « état » aqueux, mais cela a du sens de parler d’une phase huileuse ou organique et d’une phase aqueuse.
Résumé des différences entre état et phase de la matière
Les états de la matière sont définis en fonction de la mobilité des particules qui la composent. Au lieu de cela, les phases de la matière sont définies en termes de propriétés physiques et chimiques de la matière, et plusieurs phases différentes peuvent être trouvées avec la même composition et dans le même état d’agrégation mais qui ont cependant des propriétés différentes.
D’autre part, les états de la matière peuvent être solides, liquides, gazeux et plasma, ainsi que d’autres états plus exotiques qui existent dans des conditions extrêmes. D’autre part, plusieurs phases liquides et gazeuses et plusieurs phases solides peuvent coexister dans un même système. Cela indique que le concept d’état de la matière est un concept plus général ou moins spécifique que la phase de la matière.
Les références
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