04/10/2016

Qu'est-ce que la Chimie ?

Entête.jpgLe scientifique ne se contente pas d’être témoin de phénomènes et de les accepter comme tels ; poussé par sa curiosité intellectuelle, il se pose des questions et cherche à comprendre ce qui se cache derrière ces phénomènes.

« La chimie est la science qui étudie les substances, leurs structures, leurs propriétés et les réactions qui les transforment en d’autres substances.» - Linus Pauling (1901-1994)


La chimie, une science expérimentale

La chimie appartient au groupe des sciences expérimentales (biologie, biochimie, chimie, chimie physique, physique, géologie...), au sein duquel les connaissances acquises se développent au travers d’expériences soigneusement menées. Ces expériences permettent aux scientifiques de répondre aux questions qu’ils se posent sur la matière et ses transformations. L’interprétation des phénomènes en sciences expérimentales est en permanence liée aux nouvelles découvertes, observations, technologies... dont dispose le monde scientifique, au moment de ses recherches, et est donc susceptible de corrections à tout moment.

La spécificité de la chimie, en collaboration avec les autres sciences expérimentales (la biologie surtout, la physique parfois), est de proposer la synthèse de nouvelles substances, de reproduire ou d’isoler des substances naturelles déjà connues pour permettre ensuite la mise sur le marché d’innombrables produits utiles à notre confort comme par exemple les engrais, les plastiques, les médicaments...

Couverture 2D.jpgLes connaissances de base présentées dans ce livre sont là pour aiguiser notre curiosité aux choses de la vie et à celles de notre environnement quotidien. L’objectif de ce manuel est de réaliser une présentation non exhaustive mais précise des phénomènes chimiques (réactions chimiques) qui entourent notre quotidien et d’en expliquer le fonctionnement au niveau le plus intime de la matière.

La frontière entre les différentes sciences expérimentales n’est pas aussi nette qu’on pourrait le croire, et il n’est pas imaginable de faire de la chimie sans introduire des notions de physique ou de biologie ou sans apport mathématique. La séparation entre les différents domaines n’est là que pour en faciliter l’étude, en délimitant des champs de connaissances accessibles à chaque individu. Leurs liens sont parfois si ténus qu’ils ont donné naissance à de nouvelles sciences telles que la biochimie ou la chimie-physique. La frontière entre les sciences expérimentales est donc parfois très étroite ce qui rend leur définition assez délicate. De ces différents domaines d’étude découle la notion de processus physique ou chimique.

 

Processus physiques, Processus chimiques

Le processus est dit physique s’il n’engendre pas de transformation de l’espèce chimique, c’est-à-dire si les propriétés de la matière sont conservées.

Le processus est dit chimique s’il engendre une transformation de l’espèce chimique, c’est-à-dire si les propriétés de la matière sont modifiées.

Si on bat du blanc d’œuf en neige, on y introduit de fines bulles d’air, mais la matière n’est pas modifiée. D’ailleurs, si on laisse reposer trop longtemps le mélange, on voit apparaître au fond du récipient du blanc d’œuf à nouveau liquide et transparent. Le phénomène est donc physique. En revanche, si on passe au four le blanc d’œuf battu, on obtient une me- ringue. Le blanc d’œuf cuit durcit et se transforme. Le processus est alors chimique (fig. 1.2)

Figure 2.png

Comme autre exemple, on peut citer l’incandescence et la combustion. Si on place un fil de platine dans la flamme chaude du bec bunsen, on observe qu’il devient incandescent. Une fois sorti de la flamme, il reprend son aspect initial. Le phénomène est donc physique. Si on place un épi de Noël fait d’une « pâte » d’aluminium dans la flamme, l’épi devient lumineux mais il se consume par réaction de combustion de l’aluminium. La matière est transformée, le phénomène est donc chimique (fig. 1.3)

Figure 3.png

On observe que notre organisme – et celui des mammifères plus généralement – utilise aussi des processus physiques et des processus chimiques. Par exemple, c’est par un processus physique que le corps peut se refroidir quand il a trop chaud (par évaporation de la sueur). Par contre, quand il a trop froid, c’est un processus chimique qui intervient : le corps « brûle » des substances riches en calories.

En résumé. Les propriétés physiques peuvent être observées ou déterminées sans qu’il y ait transformation de la matière. Les propriétés chimiques sont celles que l’on considère lorsqu’une substance prend part à des réactions chimiques, soit les proces- sus suivant lesquels cette substance se transforme.

 

Etats de la matières

Souvent, quand on décrit une substance, on commence par noter son état physique. L’observation directe nous montre que la matière peut se présenter sous trois états (d’agrégation) physiques principaux : solide, liquide et gazeux (fig. 1.4). Ces trois états sont fonction de la température. La température d’une substance dépend de l’agitation des ses particules.

Figure 4.png

 

Etat solide

Un solide est rigide et sa forme ne dépend pas du récipient dans lequel il est placé. Il a donc une forme propre. Les solides sont pratiquement incompressibles, de sorte qu’ils ont un volume propre.

On fait la distinction entre deux types de solides (fig. 1.5):

  • Solides amorphes : Sans structure régulière. Ils n’ont pas de point de fusion net et se ramollissent à mesure que leur température augmente. Les atomes ou molécules qui les constituent ne présentent pas un arrangement régulier, ils sont désordonnés. Les matières amorphes sont essentiellement représentées par les verres et les élastomères.
  • Solide cristallin : Solide au sens habituel. Les particules formant la matière sont bien ordonnées. Les seuls mouvements qu’elles présentent sont de type vibratoire. Comme elles vibrent très faiblement, elles peuvent rester organisées en motifs géométriques réguliers : les réseaux cristallins. Cet ordre géométrique est créé par des forces réticulaires. Si l’on chauffe un solide, on lui transmet de l’énergie qui permet aux particules de vibrer toujours plus. Le volume occupé par la matière augmente, on dit que le solide se dilate. Les particules oscillent à une cadence toujours plus rapide, jusqu’à ce que l’énergie soit assez grande pour surpasser les forces réticulaires et briser l’ordre géométrique. On dit alors que le solide fond et que le corps devient liquide.

Figure 5.png

 

Etat liquide

Les particules sont unies, mais elles ont une plus grande liberté de mouvement qu’à l’état solide, c’est pourquoi elles sont en désordre. En plus des vibrations, elles peuvent effectuer des mouvements de translation et rotation, et ainsi glisser les unes sur les autres, c’est pourquoi les liquides sont facilement déformables. On dit qu’ils n’ont pas de forme propre.
Cependant, tout comme les solides, les liquides sont pratiquement incompressibles et, de ce fait, ils ont un volume propre.
A l’état liquide, la rigidité du réseau est supprimée, mais les particules restent malgré tout unies, grâce aux forces de cohésion.

Si l’on continue de chauffer, les particules bougent davantage, elles occupent encore plus de place et finissent par acquérir suffisamment d’énergie pour se détacher du liquide. Le volume augmente alors considérablement. On dit que le liquide bout et que le corps devient gazeux.

 

Etat gazeux

C’est un état de «chaos moléculaire». Les particules «volent» dans un total désordre, il n’y a pratiquement plus de force qui les maintienne ensemble, elles sont donc indépendantes les unes des autres. Les gaz sont fortement compressibles, ils n’ont pas de forme propre ni de volume propre.

 

Changements d'état

Si l’on chauffe un solide au-dessus d’une température déterminée, il fond, c’est-à-dire qu’il passe à l’état liquide. Les forces qui maintenaient entre elles les particules à l’état solide sont donc brisées sous l’effet de l’agitation thermique. Durant la fusion, l’apport d’énergie thermique ne sert plus à élever la température, mais il est exclusivement utilisé à la rupture des forces réticulaires. On parle de chaleur de fusion. Un solide cristallin pur possède un point de fusion net (PF) qui le caractérise. La température reste constante durant tout le processus de fusion puis augmente à nouveau dès que la fusion est terminée. En augmentant encore l’agitation thermique, les particules d’un liquide peuvent se vaporiser (passer à l’état de vapeur), elles ont vaincu les forces de cohésion présentes dans le liquide et celui-ci passe à l’état gazeux. Si la température est assez élevée, des bulles de gaz se forment à l’intérieur du liquide : il bout. On dit que le liquide entre en ébullition. A ce stade, l’apport d’énergie thermique ne sert plus à élever la température, mais il est exclusivement utilisé à la rupture des forces de cohésion. On parle de chaleur de vaporisation. Un liquide pur possède un point d’ébullition net (PEb) qui le caractérise pour une pression donnée. La température reste constante durant tout le processus d’ébullition, mais celui-ci est fortement dépendant de la pression.

Certains composés passent directement de l’état solide à celui de gaz, sans passer par l’état liquide. On dit qu’ils subliment. La sublimation ne se produit pas en un point de changement d’état précisément défini. Elle se déroule à la surface du solide.

Figure 6.png

Pour autant que la matière ne se décompose pas, tous les changements d’état sont des processus physiques: de ce fait, ils sont tous réversibles (fig. 1.6). La réaction inverse de la fusion est appelée solidification, celle de la vaporisation est appelée liquéfaction ou condensation et celle de la sublimation porte le nom de sublimation inverse ou également givrage.

La vaporisation est le terme général utilisé pour le changement d’état liquide-gaz. Elle peut se faire par ébullition (formation de bulles), ou par évaporation (fig. 1.7). L’ébullition se déroule dans l’ensemble du liquide, à une température précise pour une pression donnée tandis que l’évaporation se déroule à la surface, à toute température entre le PF et le PEb. Selon les conditions de température et de pression, la vaporisation va soit se traduire par une ébullition ou une évaporation.

 

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Extrait du titre Chimie
Par Martine Rebstein, Chantal Soerensen Sous la direction d'Hubert Girault Publié aux Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (PPUR)

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