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Émission du 12 avril 2019 : Les trois états de la matière

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Solide, liquide et gaz sont les trois états de la matière : pourriez-vous nous dire ce qui les caractérise et ce qui les distingue ?

Solide et liquide ont en commun d’être denses et compacts, c’est-à-dire que les atomes ou les molécules qui les constituent sont en formation serrée et se touchent : il y a donc beaucoup de matière dans peu de volume. Ce qui les distingue en revanche, c’est qu’au sein du liquide existe à l’échelle microscopique une possibilité de mouvement, qui lui confère sa faculté de se déformer, tandis que le solide est rigide. Quant au gaz, c’est un état dispersé, constitué d’atomes ou de molécules qui évoluent quasiment indépendamment les uns des autres, décrivant des mouvements chaotiques, aléatoires et complexes, à l’instar d’auto-tamponneuses. Les distances entre particules y sont très élevées, si bien qu’il y a peu de matière dans beaucoup de volume : un mètre cube d’eau liquide pèse une tonne, mais un mètre cube de vapeur d’eau à peine plus d’un kilogramme.

Et un mètre cube de glace, autrement dit d’eau solide ?

Pour un même corps pur, solide et liquide ont des densités très voisines, toutefois le solide est généralement plus dense que le liquide. L’eau fait cependant partie des rares exceptions puisque la glace est plus volumineuse que l’eau liquide, ce qui justifie que les icebergs flottent, que les bouteilles de champagne oubliées au congélateur explosent, et qu’en hiver rochers, troncs d’arbre et canalisations se rompent sous l’effet du gel. Mais revenons un instant à l’état solide : c’est le seul état rigide, mais rigide ne signifie pas forcément ordonné, avec un motif qui se reproduirait invariablement dans l’espace comme dans une tapisserie. Les solides se forment soit par refroidissement du magma liquide, soit par sédimentation au fond des océans : si ces processus se déroulent lentement, le rangement a le temps de s’opérer, et on obtient un cristal (sel de cuisine, quartz ou diamant), mais s’ils sont trop rapides, comme le refroidissement brutal du magma lors d’une éruption volcanique, on obtient un solide désordonné, (pierre ponce ou verre). Le fait qu’un solide soit ou non dans un certain état cristallin modifie notablement ses propriétés physiques. Prenons l’élément carbone qui, à l’état solide, peut exister sous au moins quatre formes différentes : le diamant, le graphite (qui constitue les résistances chauffantes des fours), la fibre de carbone (légère et flexible, utilisée dans le sport de compétition et l’aéronautique) ou le graphène (artificiel, et promu à un brillant avenir dans le domaine des nanotechnologies) : même formule chimique, seuls diffèrent le rangement des atomes, donc les propriétés …et le prix !

Existe-t-il d’autres états que solide, liquide ou gaz ?

Oui ! Les corps ferromagnétiques (autrement dit les aimants), les matériaux supraconducteurs, ou encore les cristaux liquides, un état artificiellement créé par l’homme et utilisé dans certains afficheurs. Il s’agit bien d’états de la matière, au sens ou un aimant peut acquérir une aimantation puis la perdre et l’acquérir de nouveau, tout comme de la glace peut fondre puis recongeler, et ce indéfiniment.

Tout corps possède donc la faculté de passer d’un état à un autre, comme l’eau qui bout à 100°C ?

Oui ! Mais là où vous faites erreur, c’est de croire que l’eau bout à 100°C. L’eau peut s’évaporer à plus faible température, sinon, le linge étendu au soleil ne sècherait pas ! La température à laquelle l’eau bout dépend en réalité de la pression : au niveau de la mer, elle bout à 100°C, mais dans une cocotte minute, où la pression est triple, elle bout à 133°C, ce qui permet d’assurer une cuisson à la fois plus rapide et moins destructrice, et au sommet du Mont-blanc, où la pression est moindre, elle bout à 86°C. Même chose pour la température de fusion de la glace, qui n’est de 0°C qu’au niveau de la mer. Il est d’ailleurs possible de l’abaisser en hiver en épandant du sel sur la chaussée ou en ajoutant du glycol à l’eau du liquide lave-glace. Il existe même des conditions très particulières de pression et de température qui permettent de faire coexister l’eau simultanément dans ses trois états : solide, liquide et vapeur.

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