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États de la matière

Chimie IGCSE · Sujet 1

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13:32

États de la matière

Asseyez-vous dans une pièce pendant que quelqu'un fait du café à côté. Bientôt vous pouvez le sentir, même de l'autre côté de la pièce. Comment ? Tout autour de vous est fait de petites particules, loin…

Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés

1.1

Les trois états de la matière

Programme
Fondamental Supplémentaire
1 Énoncer les propriétés distinctives des solides, liquides et gaz
2 Décrire les structures des solides, liquides et gaz en termes de séparation des particules, arrangement et mouvement
3 Décrire les changements d'état en termes de fusion, ébullition, évaporation, congélation et condensation 5 Expliquer les changements d'état en termes de théorie cinétique des particules, y compris l'interprétation des courbes de chauffage et de refroidissement
4 Décrire les effets de la température et de la pression sur le volume d'un gaz 6 Expliquer, en termes de théorie cinétique des particules, les effets de la température et de la pression sur le volume d'un gaz

Source : Programme Cambridge International

Solide, liquide, gaz : mouvement des particules

Tout ce qui vous entoure est composé de minuscules particules 粒子 — ce peuvent être des atomes 原子, des molécules 分子, ou des ions 离子. La théorie cinétique des particules 粒子动 théorie dit que ces particules sont toujours en mouvement. La proximité des particules, leur arrangement et leur façon de se déplacer déterminent si la matière est un solide 固体, un liquide 液体, ou un gaz 气体.

Propriétés observables

Vous n'avez pas besoin d'un microscope pour distinguer les trois états. Ils se comportent différemment :

  • Un solide a une forme fixe et un volume 体积 fixe. Il ne coule pas et on ne peut pas le compresser 压缩 (le réduire en taille).
  • Un liquide a un volume fixe mais aucune forme fixe. Il coule et prend la forme de son contenant. Il est presque impossible à comprimer.
  • Un gaz n'a ni forme fixe ni volume fixe. Il coule et s'étend pour remplir tout le contenant. Un gaz est facile à comprimer.

Le tableau ci-dessous résume ces propriétés. La densité 密度 signifie combien de masse 质量 est compactée dans un volume donné.

Propriété Solide Liquide Gaz
Forme fixe prend la forme du contenant remplit tout le contenant
Volume fixe fixe remplit tout le contenant
Peut-on le comprimer ? non quasi aucun oui, facilement
Coule-t-il ? non oui oui
Densité élevée élevée faible

Le modèle des particules

La théorie cinétique des particules explique ces propriétés en examinant trois éléments : la séparation 间距 des particules (la distance entre elles), leur arrangement 排列 (le motif) et leur mouvement 运动 (comment ils se déplacent).

Solide Liquide Gaz
Séparation en contact, très proches proches éloignés
Agencement motif régulier 规则 aléatoire, sans motif aléatoire, sans motif
Mouvement vibrent 振动 autour de positions fixes se déplacent et glissent les uns à côté des autres se déplacent rapidement dans toutes les directions

De fortes forces d'attraction 引力 maintiennent les particules ensemble. Dans un solide, ces forces sont suffisamment fortes pour maintenir chaque particule en place, donc un solide conserve sa forme. Dans un liquide, les forces sont plus faibles, donc les particules peuvent se déplacer. Dans un gaz, les particules se déplacent si vite que les forces agissent presque pas, donc le gaz s'étend.

Schémas de particules d'un solide, d'un liquide et d'un gaz : le solide est une grille régulière compacte, le liquide est proche mais aléatoire, le gaz est clairsemé et dispersé
Les particules sont serrées et régulières dans un solide, proches et aléatoires dans un liquide, et éloignées dans un gaz
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États de la matière

Chauffez la boîte et observez les particules se libérer : un solide vibrant fond pour devenir un liquide fluide, puis se répand sous forme de gaz. Mêmes particules — juste plus d'énergie.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
particles/ˈpɑːtɪklz/ 粒子 lì zi
atoms/ˈætəmz/ 原子 yuán zi
molecules/ˈmɒlɪkjuːlz/ 分子 fèn zǐ
ions/ˈaɪɒnz/ 离子 lí zi
kinetic particle theory/kɪˈnetɪk ˈpɑːtɪkl ˈθɪəri/ 粒子动理论 lì zi dòng lǐ lùn
solid/ˈsɒlɪd/ 固体 gù tǐ
liquid/ˈlɪkwɪd/ 液体 yè tǐ
volume/ˈvɒljuːm/ 体积 tǐ jī
compress/kəmˈpres/ 压缩 yā suō
density/ˈdensɪti/ 密度 mì dù
mass/mæs/ 质量 zhì liàng
separation/ˌsepəˈreɪʃn/ 间距 jiān jù
arrangement/əˈreɪndʒmənt/ 排列 pái liè
motion/ˈməʊʃn/ 运动 yùn dòng
regular/ˈreɡjʊlə/ 规则 guī zé
vibrate/vaɪˈbreɪt/ 振动 zhèn dòng
forces of attraction/ˈfɔːsɪz ɒv əˈtrækʃn/ 引力 yǐn lì
melting/ˈmeltɪŋ/ 熔化 róng huà
freezing/ˈfriːzɪŋ/ 凝固 níng gù
evaporating/ɪˈvæpəreɪtɪŋ/ 蒸发 zhēng fā
boiling/ˈbɔɪlɪŋ/ 沸腾 fèi téng
condensing/kənˈdensɪŋ/ 凝结 níng jié
melting point/ˈmeltɪŋ pɔɪnt/ 熔点 róng diǎn
boiling point/ˈbɔɪlɪŋ pɔɪnt/ 沸点 fèi diǎn
1.1

Changements d'état

Des glaçons qui fondent dans un verre
Glace fondant en eau : un changement d'état lorsque le solide se réchauffe.

Lorsque vous chauffez ou refroidissez une substance, elle peut passer d'un état à un autre. Vous devez connaître le nom de chaque changement.

Changement Ce qui se passe Nom
solide → liquide fusion 熔化 fusion
liquide → solide solidification 凝固 solidification
liquide → gaz (à la surface, sous le point d'ébullition) évaporation 蒸发 évaporation
liquide → gaz (à travers tout le liquide) ébullition 沸腾 ébullition
gaz → liquide condensation 凝结 condensation

Un solide pur fond à une température fixe, le point de fusion 熔点. Un liquide pur bout à une température fixe, le point d'ébullition 沸点. La même substance gèle à son point de fusion et se condense à son point d'ébullition.

Solide, liquide et gaz liés par des flèches : fusion et ébullition vont dans un sens, congélation et condensation reviennent
Chauffage : solide → liquide → gaz ; le refroidissement inverse chaque changement

Certaines substances changent directement du solide au gaz sans fondre d'abord. C'est appelé sublimation 升华. Sur la photo ci-dessous, de l'iode solide réchauffée dans un bécher se transforme directement en gaz violet ; le gaz se refroidit ensuite sur le ballon rond rempli de glace au-dessus et redevient solide.

Un bécher contenant de l'iode solide sur une plaque chauffante rempli de gaz iode violet vif, avec un erlenmeyer de glace posé dessus où le gaz redevient solide
L'iode solide chauffé passe directement à un gaz violet (sublimation)
Un bloc de glace carbonique dégageant une épaisse fumée blanche alors qu'il passe directement à l'état gazeux
L'exemple quotidien : la glace sèche est du dioxyde de carbone solide, et elle sublime aussi — elle ne laisse jamais de flaques

Expliquer les changements d'état avec la théorie des particules

Chaque changement d'état est en réalité un changement dans l'énergie 能量 des particules.

  • Lorsque vous chauffez un solide, les particules gagnent de l'énergie et vibrent plus vite. Au point de fusion, les particules ont assez d'énergie pour s'éloigner de leurs positions fixes et glisser autour — le solide fond.
  • Lorsque vous chauffez un liquide, les particules se déplacent plus vite. Au point d'ébullition, elles ont assez d'énergie pour s'échapper complètement des forces d'attraction et devenir un gaz.
  • Le refroidissement fait l'inverse. Les particules perdent de l'énergie, se déplacent plus lentement, et les forces d'attraction les ramènent vers le centre.

Lors d'un changement d'état, l'énergie sert à briser les forces d'attraction, pas à faire aller plus vite les particules. C'est pourquoi la température reste constante pendant la fusion ou l'ébullition.

Courbes de chauffage et de refroidissement

Une courbe de chauffage 加热曲线 est un graphique de la température en fonction du temps alors que vous chauffez une substance régulièrement. Une courbe de refroidissement 冷却曲线 est le même graphique lorsque la substance refroidit.

Sur une courbe de chauffage, il y a deux parties plates (horizontales) :

  • La première partie plate est au point de fusion. Ici, le solide et le liquide sont tous deux présents. L'énergie thermique brise les forces qui maintiennent le solide ensemble, donc la température n'augmente pas.
  • La deuxième partie plate est au point d'ébullition. Ici, le liquide et le gaz sont tous deux présents, et la température reste également constante.

Une courbe de refroidissement est l'inverse. Elle a une partie plate au point d'ébullition (le gaz se condense) et une partie plate au point de fusion (le liquide gèle). Alors que les particules ralentissent, l'énergie thermique 热能 est libérée dans l'environnement.

Une courbe de chauffage de la température en fonction du temps, montant puis plate au point de fusion, montant puis plate au point d'ébullition, puis remontant
La température reste constante aux points de fusion et d'ébullition pendant que les forces d'attraction sont brisées
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Chauffer une substance à travers ses états

Augmentez la température. L'ajout de chaleur donne plus d'énergie aux particules jusqu'à ce qu'elles se libèrent — et la température s'arrête à chaque changement d'état pendant que l'énergie effectue ce travail.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
sublimation/ˌsʌblɪˈmeɪʃn/ 升华 shēng huá
energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
heating curve/ˈhiːtɪŋ kɜːv/ 加热曲线 jiā rè qū xiàn
cooling curve/ˈkuːlɪŋ kɜːv/ 冷却曲线 lěng què qū xiàn
thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ 热能 rè néng
1.1

Gaz : température, pression et volume

Un gaz pousse sur les parois de son récipient. Cette poussée, répartie sur la surface de la paroi, est la pression 压强 du gaz. La pression provient des particules de gaz heurtant les parois.

Effet de la température

Si vous chauffez une masse fixe de gaz tout en maintenant la pression constante, son volume augmente.

Un gaz chauffé : des particules plus rapides occupent plus d'espace à pression constante
Un gaz chauffé : les particules plus rapides s'étalent et occupent plus d'espace

En utilisant la théorie des particules : chauffer donne aux particules plus d'énergie cinétique 动能, donc elles se déplacent plus vite. Elles heurtent les parois plus fort et plus souvent. Pour maintenir la pression constante, le gaz doit occuper plus d'espace, donc le volume augmente.

Si au contraire le volume est fixe (un récipient scellé et rigide), chauffer le gaz fait augmenter la pression, car les particules plus rapides collid 碰撞 avec les parois plus fort et plus souvent.

Effet de la pression

Si vous augmentez la pression sur une masse fixe de gaz tout en maintenant la température constante, son volume diminue. Comprimer le gaz dans un espace plus petit signifie que les particules heurtent les parois plus souvent, ce qui correspond à une pression plus élevée.

À température constante, comprimer un gaz dans un volume plus petit rapproche les particules afin qu'elles heurtent les parois plus souvent, ce qui représente une pression plus élevée
Comprimer un gaz dans un volume plus petit fait que les particules heurtent les parois plus souvent, donc la pression augmente
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Gaz, pression & volume

p = k / V

Compressez le volume et la pression augmente (loi de Boyle).

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
gas/ɡæs/ 气体 qì tǐ
pressure/ˈpreʃə/ 压强 yā qiáng
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
collide/kəˈlaɪd/ 碰撞 pèng zhuàng
1.2

Diffusion

Programme
Fondamental Supplémentaire
1 Décrire et expliquer la diffusion en termes de théorie cinétique des particules 2 Décrire et expliquer l'effet de la masse moléculaire relative sur la vitesse de diffusion des gaz

Source : Programme Cambridge International

Diffusion : mouvement aléatoire, flux unidirectionnel

La diffusion 扩散 est la propagation des particules d'une région où elles sont serrées vers une région où elles sont dispersées — c'est-à-dire d'une haute concentration 浓度 vers une basse concentration. Cela se produit parce que les particules se déplacent toujours dans des directions aléatoires.

Des particules serrées d'un côté d'une boîte se dispersent avec le temps jusqu'à remplir uniformément la boîte, passant d'une haute à une basse concentration
Les particules diffusent de la haute vers la basse concentration jusqu'à être uniformément dispersées

La diffusion explique pourquoi vous pouvez sentir des aliments à travers une pièce : les particules d'odeur se déplacent et se mélangent à l'air jusqu'à atteindre votre nez. La diffusion se produit dans les gaz et les liquides, mais pas dans les solides, car les particules solides ne peuvent pas se déplacer d'un endroit à un autre.

Vitesse de diffusion et masse moléculaire

Les particules de gaz plus légères se déplacent plus vite que les plus lourdes à la même température. Ainsi, un gaz ayant une plus petite masse moléculaire relative 相对分子质量 (une masse plus faible par molécule) a une vitesse 速率 de diffusion plus rapide.

Une expérience classique le démontre. Un coton imbibé d'ammoniac 氨气 ($\text{NH}_3$) est placé à une extrémité d'un long tube en verre. Un coton imbibé d'acide chlorhydrique 氯化氢 ($\text{HCl}$) est placé à l'autre extrémité. Les deux gaz diffusent le long du tube et se rencontrent pour former un anneau blanc de chlorure d'ammonium 氯化铵 ($\text{NH}_4\text{Cl}$).

$$\text{NH}_3 + \text{HCl} \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}$$

L'ammoniac a $M_r = 17$ et l'acide chlorhydrique a $M_r = 36.5$. L'ammoniac est plus léger, donc il diffuse plus vite et parcourt une plus grande distance le long du tube. L'anneau blanc se forme près de l'extrémité acide chlorhydrique.

Un long tube en verre avec l'ammoniac diffusant depuis la gauche et l'acide chlorhydrique depuis la droite ; ils se rencontrent pour former un anneau blanc plus proche de l'extrémité acide chlorhydrique
L'ammoniac ($M_r=17$) est plus léger, donc il diffuse plus vite et plus loin ; l'anneau blanc se forme près de l'extrémité HCl

Exemple résolu. Le brome ($M_r = 160$) et l'ammoniac ($M_r = 17$) sont relâchés simultanément aux extrémités opposées d'un long tube. Lequel parcourt la plus grande distance avant de se rencontrer ? Comparez les masses moléculaires relatives. La $M_r$ de l'ammoniac est bien plus petite, donc ses molécules se déplacent plus vite à la même température et diffusent plus rapidement. L'ammoniac parcourt donc la plus grande distance, et les deux gaz se rencontrent près de l'extrémité brome. La règle est toujours « plus léger signifie plus rapide » — argumentez à partir de $M_r$, jamais de la taille apparente de la formule sur papier.

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Diffusion

Lâchez le nuage et les particules se dispersent d'elles-mêmes depuis le coin bondé jusqu'à remplir uniformément la boîte — diffusion, accélérée par la chaleur.

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Diffusion

Réglez la concentration de chaque côté. Les particules se diffusent de la concentration élevée à faible jusqu'à ce qu'elles soient uniformément mélangées.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
diffusion/dɪˈfjuːʒn/ 扩散 kuò sàn
concentration/ˌkɒnsənˈtreɪʃn/ 浓度 nóng dù
relative molecular mass/ˈrelətɪv məˈlekjʊlə mæs/ 相对分子质量 xiāng duì fèn zǐ zhì liàng
rate/reɪt/ 速率 sù lǜ
ammonia/æˈməʊnɪə/ 氨气 ān qì
hydrogen chloride/ˈhaɪdrədʒn ˈklɔːraɪd/ 氯化氢 lǜ huà qīng
ammonium chloride/æˈməʊnɪəm ˈklɔːraɪd/ 氯化铵 lǜ huà ǎn
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1.2

Conseils d'examen

  • Pendant la fusion et l'ébullition, la température reste constante (les parties plates d'une courbe de chauffage), car l'énergie brise les forces entre les particules au lieu de les faire aller plus vite.
  • L'évaporation se produit uniquement à la surface et à n'importe quelle température ; l'ébullition se produit dans tout le liquide à une température fixe unique.
  • Expliquez le comportement des gaz avec la théorie des particules : chauffer un gaz à volume constant augmente la pression car les particules heurtent les parois plus fort et plus souvent — les particules elles-mêmes ne deviennent pas plus grandes.
  • La diffusion est plus rapide pour les particules plus légères (plus petite $M_r$) et ne peut pas se produire dans les solides. Dans le tube ammoniac/acide chlorhydrique, l'ammoniac plus léger parcourt une plus grande distance, donc l'anneau blanc se forme près de l'extrémité HCl.

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