Chapitre 3 : États de la matière et morphologie des matériaux Plan du chapitre : Généralités État gazeux État liquide État solide Superstructures moléculaires Solutions, solvants, dispersions et émulsions Version /10/20151

2 Vocabulaire  Changements d’états (phase). Ils sont produits par une variation de la température. Phase gazeuse Phase solide Phase liquide Sublimation Solidification Vaporisation Liquéfaction Fusion Condensation

Version /10/20153 Vocabulaire (2) Changements de phaseDéfinitions FusionPassage de l’état solide à liquide SolidificationPassage de l’état liquide à solide VaporisationPassage de l’état liquide à gazeux LiquéfactionPassage de l’état gazeux à liquide CondensationPassage directe de l’état gazeux à solide SublimationPassage directe de l’état solide à gazeux

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5 Plan du chapitre : Généralités État gazeux État liquide État solide Superstructures moléculaires Solutions, solvants, dispersions et émulsions

Le mouvement brownien  Molécules sans interaction.  Elles tendent à occuper toute l’espace.  Déplacement au hasard (mouvement brownien) et chocs entre molécules. Version /10/20156 L’état gazeux est dispersé et très désordonné.

La loi des gaz parfaits Version /10/20157  Lien entre la pression d’un gaz, son volume, sa température et le nombre de moles de gaz présentes. PV = nRT  Système MKS : Pa pour la pression, m³ pour le volume, K pour la température.  R = 8,3145 J/K/mol (constante des gaz parfaits).  On parle en chimie d’une pression d’une atmosphère (1 atm). En unités MKS, 1 atm = Pa.  T (en K) = t (en °C) + 273,15

 Méthane (CH 4 ) gazeux.  Quel est le volume si on a 3 moles de ce gaz à une pression de 2 atm et à 20 °C ?  Quelle est la masse de ce gaz ?  A quelle température cette quantité de gaz occupera-t-elle un volume de 50 litres sous une pression de 3 atmosphères ? Exercice Version /10/20158

 Température diminue et interaction entre les molécules pour donner un liquide.  Libération de chaleur en se liquéfiant (réaction exothermique).  Température de liquéfaction dépend de la nature du gaz et de sa pression. Transformation gaz  liquide - liquéfaction Version /10/20159

10 Température de liquéfaction GazT T Hélium4 K (= -269°C)Chlore239 K (= -34°C) Hydrogène20 K (= -253°C)Ammoniac240 K (= -33°C) Néon27 K (= -246°C)Acétone329 K (= +56°C) Azote77 K (= -196°C)Alcool (éthanol)351 K (= +78°C) Oxygène90 K (= -183°C)eau373 K (=+100°C) Méthane112 K (= -161°C)

Version /10/ Transformation liquide  gaz – vaporisation  Température augmente et énergie cinétique des molécules augmente ainsi permettant d’être supérieur à la force d’attraction des molécules.  Passage à l’état gazeux (réaction endothermique).

Version /10/ L’azote (N 2 )

Notre environnement : l’atmosphère Version /10/201513

Version /10/  Azote (N 2 ) : peu ou pas d’effet  Oxygène (O 2 ) : oxyde les matériaux  Eau (H 2 O) : corrosion et dégradation de certain matériaux  Argon (Ar) : aucun  Dioxyde de carbone (CO 2 ) : réagit avec les bases et les transforme en carbonates  Néon (Ne) : aucun  Hélium (He) : aucun  Méthane (CH 4 ) : assez inerte sur les matériaux mais puissant gaz à effet de serre Effet des gaz atmosphériques (1)

Version /10/ Effet des gaz atmosphériques (2)  Krypton (Kr) : aucun  Hydrogène (H 2 ) : réducteur mais présent en quantité trop faible  Monoxyde de carbone (CO) : complexant puissant pour certains métaux  Xénon (Xe) : aucun  Ozone (O 3 ) : oxydant puissant et générateur de radicaux libres  Monoxyde (NO) et dioxyde d’azote (NO 2 ) : sont générateurs de radicaux libres et réagissent avec les composés organiques  Ammoniac (NH 3 ) : base puissante

Version /10/ Effet du CO 2 en CROA  Le dioxyde de carbone réagit avec les bases comme par exemple l’oxyde de calcium pour se transformer en carbonate : CaO + CO 2  CaCO 3  Cette réaction est très importante pour l’évolution des peintures et pour la corrosion des verres.

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Version /10/ Interactions entre les molécules  Interactions entre molécules plus importantes qu’avec les gaz.  Contact permanent entre les molécules.  Interactions peuvent facilement se casser et se reformer.  Liquides prennent facilement la forme du récipient qui les contient. L’état liquide est un état compact mais désordonné.

Version /10/ Liaisons pont hydrogène dans l’eau

Version /10/ Propriétés hydrostatiques des liquides  Milieux homogènes.  Fluides  Possèdent un poids et exercent une pression.  Peu compressibles et transmettent dans toutes les directions une pression qui leur est appliquée.  Étude des liquides : hydrostatique (pour les solvants, par exemple).

Version /10/ Transformation liquide  solide – solidification A une température donnée, les molécules n’ont plus assez d’énergie pour se bouger librement les unes par rapport aux autres. Les molécules ont une position d’équilibre par rapport à leurs voisines Elles peuvent encore avoir de petits mouvements autour de cette position d’équilibre. Les molécules forment donc maintenant un solide cristallin avec une libération d’énergie.

Version /10/ Les mélanges de liquides  Deux liquides compatibles se mélangent entre eux de manière homogène.  Deux liquides incompatibles se positionnent l’un au dessus de l’autre en fonction de leur densité respective.  Deux liquides partiellement compatibles se mélangeront suivant un gradient d’un liquide dans un autre, la concentration du liquide le plus dense étant plus importante au fond du récipient.

Version /10/ Eau et huile Eau et vinaigre Eau et sirop Les mélanges de liquides (2)

Version /10/ Les mélanges de liquides – Émulsion  Deux liquides incompatibles.  Molécules compatibles avec ces deux liquides.  Liquide mineur va se mettre en gouttes entourées par une couche de molécules compatibles avec les deux liquides et le tout en suspension dans le liquide majeur.  Ces trois composantes forment une émulsion.  Mélange de deux liquides incompatibles (instable dans le temps).

Version /10/ Eau et huile secoués Les mélanges de liquides – Émulsion (2)

Version /10/ La séparation des liquides – Distillation 2 liquides compatibles qui forment une phase homogène. Comment les séparer ? Élévation de la température : liquide le plus volatil se vaporise en premier Si on le refroidit, on obtient un liquide beaucoup plus riche en liquide le plus volatil. Ce procédé s’appelle la distillation.

Version /10/ La séparation des liquides – Distillation (2) Thermomètre Vapeur Ballon Brûleur Sortie d’eau Arrivée d’eau Ballon Distillat Refroidisseur

Version /10/ La séparation des liquides – Cristallisation 2 liquides compatibles qui forment une phase homogène. Comment les séparer ? Diminution de la température : liquide avec le point de solidification le plus bas cristallise en premier. On peut ainsi le séparer du liquide. Ce procédé s’appelle la cristallisation.

Version /10/ La transition vitreuse Passage d’un état dans lequel les molécules bougent les unes par rapport aux autres à un état dans lequel la plus grande partie de leur structure est figée. Processus non pas à une température bien précise mais sur une plage de température plus ou moins étendue. Il s’appelle la transition vitreuse. La transition vitreuse s’applique bien entendu aux verres mais aussi à tous les polymères. Caractéristique importante pour une gamme particulière de compositions à base de polymères : les adhésifs.

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Version /10/  Notion de solide vrai est associée à celle d’ordre.  Nous distinguerons 3 cas : Le solide cristallin Le solide amorphe Le solide présentant des zones amorphes et des zones cristallines. Ordre dans les solides L’état solide est un état compact

Version /10/ Les cristaux  14 réseaux de Bravais

Version /10/  Cristallisation sous différentes formes.  Carbonate de calcium (CaCO 3 ) A l’état naturel : système rhomboédrique. Si T et P élevée : système orthorombique. Eau pure dégazée de CaCl 2 et Na 2 CO 3, T < 30 °C : système hexagonal. Polymorphisme

Version /10/ Et le carbone ?  Système hexagonal.  Système cubique à faces centrées.

Version /10/ Le quartz (céramiques !)  On en parle notamment dans la cuisson des céramiques.  Transitions entre les différentes formes cristallines du quartz :

Version /10/ Les diagrammes de phase  Le diagramme de phases représente les modifications qu’un matériau peut subir : Solide  Solide Solide  Liquide Liquide  Gaz Solide  Gaz

Version /10/ Le diagramme de phase de la silice

Version /10/ Le diagramme de phase Fe-C

Version /10/ Solides cristallins et amorphes  En céramique, on a des alternances de zones cristallines et de zones amorphes mais ces deux types de zones ont généralement des compositions différentes.  On parle d’éléments cristallins, de ciment (= zones amorphes) et de vides ou pores.

Version /10/  Céramique poreuse : les points de soudure entre les éléments cristallins sont peu nombreux et des vides relativement importants sont laissés.  Ces vides communiquent entre eux et aboutissent à la surface du tesson.  Ces pâtes sont donc perméables.  Il s’agit de poteries de basse et moyenne température de cuisson. Solides cristallins et amorphes (2) © V. Rousseau

Version /10/ Solides cristallins et amorphes (3)  Céramique de faible porosité : cohésion accrue.  Chaque grain cristallin est entouré de ciment.  Des vides subsistent malgré tout.

Version /10/ Solides cristallins et amorphes (4)  Céramique imperméable : tous les interstices entre les grains sont comblés par le ciment.  Il n’y a plus de pores.  Haute température de cuisson (grès cérame, porcelaine).

Version /10/ Plan du chapitre : Généralités État gazeux État liquide État solide Superstructures moléculaires Solutions, solvants, dispersions et émulsions

Version /10/ Notions de grains (métal) Joints de grains

Version /10/ Morphologie du bois Branche de céléri – source : Structure d’un bois de feuillu – représentation schématique et photo au microscope électronique – source :

Version /10/ Notion de fibres

Version /10/ Plan du chapitre : Généralités État gazeux État liquide État solide Superstructures moléculaires Solutions, solvants, dispersions et émulsions

Version /10/ Généralités Mélange de deux produits Mélange complet (soluté dans un solvant) Mélange incomplet – 2 phases distinctes (dispersion dans un solvant)

Version /10/ Types de solutions

Version /10/ Types de dispersions

Version /10/ Émulsions maigres et grasses  Composante majeure = enrobant.  Composante mineure = enrobé.  Composante majeure = H2O  émulsion maigre.  Composante majeure = huile  émulsion grasse.