La matière dans notre monde

La matière est tout ce qui occupe l’espace et possède une masse. Tous les objets physiques sont composés de matière, et une propriété facilement observable de la matière est son état ou sa phase. Les états classiques de la matière sont le solide, le liquide et le gaz. Plusieurs autres états, dont le plasma et le condensat de Bose-Einstein, existent, mais ce sont les états classiques qui peuvent passer directement dans n’importe lequel des autres états classiques.

Par exemple, un glaçon (eau solide) laissé sur un banc à température ambiante se transforme rapidement en eau liquide, tandis qu’un jet de vapeur (eau gazeuse) provenant du bec d’une bouilloire bouillante se transforme en eau liquide lorsqu’il est dirigé sur une surface froide.

Classification de la matière

Une autre façon de penser à la matière est de se placer du point de vue du chimiste. Le schéma suivant montre une façon de classer la matière en tenant compte des éléments et des composés de manière très précise.

Pour voir comment fonctionne ce système de classification, prenons deux exemples :

• Comment le lait s’intègre-t-il dans ce système ? Le lait a une composition uniforme, et c’est une solution (homogène). En filtrant le lait, on sépare les solides en suspension (protéines et lipides) et on laisse un liquide clair. L’application de diverses techniques de séparation à ce liquide permet d’obtenir de nombreuses catégories de composés chimiques. Le lait est un mélange complexe de substances.
• Comment le sable des plages dorées s’intègre-t-il dans ce système ? La plupart des grains du sable de plage doré sont soit du feldspath de couleur claire, soit du quartz clair. Le sable de plage a une composition non uniforme, mais les grains peuvent être physiquement séparés en groupes de minéraux. Les minéraux du sable sont des composés chimiques.

Théorie cinétique-moléculaire de la matière

Les solides, les liquides et les gaz ont chacun leurs propriétés caractéristiques. Afin d’expliquer comment ces propriétés apparaissent, la théorie cinétique-moléculaire a été développée.

Selon cette théorie, toute la matière est constituée de particules extrêmement petites (atomes, molécules ou ions), qui sont en mouvement constant :

• Dans les solides, ces particules sont serrées les unes contre les autres, généralement en un réseau régulier, et vibrent d’avant en arrière.
• Dans les liquides, les particules sont toujours serrées les unes contre les autres, mais en plus de vibrer, elles peuvent se déplacer les unes sur les autres et entre elles.
• À l’état gazeux, les particules sont espacées les unes par rapport aux autres et se déplacent avec un mouvement rapide et aléatoire.

Pour chacun de ces états, plus la température est élevée, plus les particules se déplacent rapidement.

Relations entre les états de la matière

Les états classiques de la matière (solide, liquide et gaz) peuvent passer directement dans n’importe lequel des autres états classiques. Cela peut se faire soit en ajoutant de la chaleur au système, soit en enlevant de la chaleur au système.

Deux autres états de la matière

Lorsqu’un gaz est chauffé à très haute température, les atomes gazeux sont dépouillés de leurs électrons extérieurs. Cela crée un gaz « ionisé » qui consiste en un mélange hautement énergétique d’ions positifs, d’électrons et d’atomes. Le gaz a été converti en plasma, souvent appelé le « quatrième état de la matière ».

Dans les années 1920, deux scientifiques, Satyendra Bose et Albert Einstein, ont prédit l’existence d’un état de la matière à l’extrémité extrêmement basse énergie de l’échelle de température. Ils ont appelé cet état « condensat de Bose-Einstein ». Seuls quelques éléments et particules subatomiques sélectionnés peuvent atteindre cet état. Ce n’est qu’en 1995 que deux scientifiques, Cornell et Weiman, ont pu réaliser ce condensat à partir d’atomes de rubidium.