Chapitre 3 : États de la matière et morphologie des matériaux Plan du chapitre : Généralités État gazeux État liquide État solide Superstructures moléculaires.

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1 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 4 - 25/10/20151

2 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

3 Version 4 - 25/10/20153 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

4 Version 4 - 25/10/20154

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

6 Le mouvement brownien  Molécules sans interaction.  Elles tendent à occuper toute l’espace.  Déplacement au hasard (mouvement brownien) et chocs entre molécules. Version 4 - 25/10/20156 L’état gazeux est dispersé et très désordonné.

7 La loi des gaz parfaits Version 4 - 25/10/20157  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 = 101325 Pa.  T (en K) = t (en °C) + 273,15

8  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 4 - 25/10/20158

9  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 4 - 25/10/20159

10 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)

11 Version 4 - 25/10/201511 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).

12 Version 4 - 25/10/201512 L’azote (N 2 )

13 Notre environnement : l’atmosphère Version 4 - 25/10/201513

14 Version 4 - 25/10/201514  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)

15 Version 4 - 25/10/201515 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

16 Version 4 - 25/10/201516 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.

17 Version 4 - 25/10/201517 Plan du chapitre : Généralités État gazeux État liquide État solide Superstructures moléculaires Solutions, solvants, dispersions et émulsions

18 Version 4 - 25/10/201518 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.

19 Version 4 - 25/10/201519 Liaisons pont hydrogène dans l’eau

20 Version 4 - 25/10/201520 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).

21 Version 4 - 25/10/201521 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.

22 Version 4 - 25/10/201522 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.

23 Version 4 - 25/10/201523 Eau et huile Eau et vinaigre Eau et sirop Les mélanges de liquides (2)

24 Version 4 - 25/10/201524 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).

25 Version 4 - 25/10/201525 Eau et huile secoués Les mélanges de liquides – Émulsion (2)

26 Version 4 - 25/10/201526 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.

27 Version 4 - 25/10/201527 La séparation des liquides – Distillation (2) Thermomètre Vapeur Ballon Brûleur Sortie d’eau Arrivée d’eau Ballon Distillat Refroidisseur

28 Version 4 - 25/10/201528 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.

29 Version 4 - 25/10/201529 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.

30 Version 4 - 25/10/201530 Plan du chapitre : Généralités État gazeux État liquide État solide Superstructures moléculaires Solutions, solvants, dispersions et émulsions

31 Version 4 - 25/10/201531  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

32 Version 4 - 25/10/201532 Les cristaux  14 réseaux de Bravais

33 Version 4 - 25/10/201533  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

34 Version 4 - 25/10/201534 Et le carbone ?  Système hexagonal.  Système cubique à faces centrées.

35 Version 4 - 25/10/201535 Le quartz (céramiques !)  On en parle notamment dans la cuisson des céramiques.  Transitions entre les différentes formes cristallines du quartz :

36 Version 4 - 25/10/201536 Les diagrammes de phase  Le diagramme de phases représente les modifications qu’un matériau peut subir : Solide  Solide Solide  Liquide Liquide  Gaz Solide  Gaz

37 Version 4 - 25/10/201537 Le diagramme de phase de la silice

38 Version 4 - 25/10/201538 Le diagramme de phase Fe-C

39 Version 4 - 25/10/201539 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.

40 Version 4 - 25/10/201540  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

41 Version 4 - 25/10/201541 Solides cristallins et amorphes (3)  Céramique de faible porosité : cohésion accrue.  Chaque grain cristallin est entouré de ciment.  Des vides subsistent malgré tout.

42 Version 4 - 25/10/201542 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).

43 Version 4 - 25/10/201543 Plan du chapitre : Généralités État gazeux État liquide État solide Superstructures moléculaires Solutions, solvants, dispersions et émulsions

44 Version 4 - 25/10/201544 Notions de grains (métal) Joints de grains

45 Version 4 - 25/10/201545 Morphologie du bois Branche de céléri – source : http://www.microsci.com/photo.html http://www.microsci.com/photo.html Structure d’un bois de feuillu – représentation schématique et photo au microscope électronique – source : http://cerig.efpg.inpg.fr/tutoriel/morphologie-fibres-bois/page05.htm http://cerig.efpg.inpg.fr/tutoriel/morphologie-fibres-bois/page05.htm

46 Version 4 - 25/10/201546 Notion de fibres

47 Version 4 - 25/10/201547 Plan du chapitre : Généralités État gazeux État liquide État solide Superstructures moléculaires Solutions, solvants, dispersions et émulsions

48 Version 4 - 25/10/201548 Généralités Mélange de deux produits Mélange complet (soluté dans un solvant) Mélange incomplet – 2 phases distinctes (dispersion dans un solvant)

49 Version 4 - 25/10/201549 Types de solutions

50 Version 4 - 25/10/201550 Types de dispersions

51 Version 4 - 25/10/201551 Émulsions maigres et grasses  Composante majeure = enrobant.  Composante mineure = enrobé.  Composante majeure = H2O  émulsion maigre.  Composante majeure = huile  émulsion grasse.