Etat de la matière Flashcards
De quoi découlent les propriétés chimiques et biologiques des atomes et des molécules ?
de leur structure électronique
Combien d’éléments chimiques sont-ils connus ?
112
Définition corps pur
ensemble de molécules ou d’atome identiques (ex. bouteille d’eau pure)
> corps simples ou composés
Définition corps simple
ensemble d’atomes identiques (ex.O2)
Définition corps composé
ensemble de molécule identiques composées d’atomes de nature différente (ex.H2O)
Définition et valeur Nombre d’Avogadro (Na)
> nombre d’entité élémentaire qui se trouvent dans une mole de matière
Na = 6,02.10^23 mol-1
A quoi est due la différence de comportement des différents états ?
aux différences de liaisons intermoléculaires
Définition système
ensemble de constituants de masse déterminée et de volume défini
A quoi est liée la description de tout système ?
à la température
> elle ponctue les différentes étapes de la transformation d’un solide en liquide puis en gaz
Définition milieu extérieur
tout ce qui entoure le système, qui ne lui appartient pas
Définition système isolé
séparé du milieu extérieur par des parois imperméables et adiabatiques
> aucun échange (énergie, matière, chaleur) avec l’extérieur
Définition système fermé
masse et composition invariables dans le temps
> échange d’énergie (travail ou chaleur) mais pas de matière avec l’extérieur
Définition système ouvert
masse et composition variables dans le temps
> échange d’énergie ou de matière avec l’extérieur
Définition énergie
grandeur fondamentale de la physique, capable de se transformer en travail et en chaleur
Relation entre énergie et force
l’action d’une force sur une distance donnée correspond à un travail ou une énergie
> E = (m.g).d
= F.d
Travail effectué par un système sur son environnement
négatif : perte d’énergie pour le sytème
Travail effectué par l’environnement sur le système
positif : gain d’énergie pour le système
Classification de l’énergie liée à la matière :
énergie mécanique :
> de mouvement (=énergie cinétique)
> de position (=énergie potentielle)
> liée à l’agitation moléculaire (=énergie thermique)
Equivalence du Joule
> J = kg.m².s-²
1J = 1 newton x 1 mètre = 1 coulomb x 1 volt
Définition calorie
> quantité de chaleur nécessaire pour élever 1 gramme d’eau de 14,5° à 15,5°
1 calorie = 4,1855 J
Définition électron-volt
> énergie acquise par un électron soumis à un potentiel électrique de 1 volt
1 eV = 1,6.10^-19 J
Principe de conservation de l’énergie
Ep + Ec = constante
Formule énergie cinétique
Ec = 1/2.m.v²
Formule énergie potentielle
Ep = m.γ.l
avec γ : accélération
l : longueur
Définition énergie thermique
> agitation désordonnée de ses molécules ou atomes
mouvements de translation, rotation et vibration
Formule énergie cinétique moyenne (gaz parfait)
Ê = n.(kT/2)
avec
k= (R/Na) = 1,38.10^-23 J/degré = constante de Boltzmann
Energie pour un gaz monoatomique
energie de translation uniquement
Energie pour un gaz biatomique
énergies de translation et de rotation
Energie pour un gaz pluri-atomique
énergies de translation, de rotation et de vibration
Objectif des lois de la thermodynamique
étudier les systèmes et leur évolution en fonction des échanges d’énergie avec le milieu extérieur
Que se passe-t-il en cas d’échange d’énergie avec le milieu extérieur ?
Le système subit une transformation qui modifie les variables qui décrivent son état à notre échelle microscopique
> changement d’état
Thermodynamique classique
explique le comportement des systèmes en fonctions des grandeurs (température, énergie, entropie, etc)
Thermodynamique statistique
explique l’origine des variables thermodynamiques (température, pression, chaleur, entropie, travail) en les reliant à l’agitation moléculaire
Thermodynamique appliquée à la biologie (=bioénergie)
étude de la dynamique des échanges d’énergie associées à des phénomènes biochimiques
Pour quoi est utilisée la thermodynamique ?
pour envisager tous les domaines où il est question d’échanges d’énergie ou de matière, sous quelque forme qu’ils soient
Définition chaleur
> notion subjective de la température
traduit un transfert d’énergie thermique (=échange)
Définition température
> grandeur mesurable
décrit un degré d’agitation des particules (=état)
Corps chaud
la température, le désordre et l’agitation thermique diminuent
Corps froid
la température, le désordre et l’agitation thermique augmentent
Principe de l’équilibre thermique
Pour deux systèmes de températures différents au contact de l’autre :
> le plus chaud se refroidit
> le plus froid se réchauffe
jusqu’à égalité des température
Que se passe-t-il lors d’un changement d’état pour un corps pur ?
il ne change pas de température malgré un échange d’énergie sous forme de chaleur
Définition énergie interne U
> somme de toutes les formes d’énergie contenues dans ce système
énergie associée à la mécanique interne du système à l’échelle microscopique
Formule énergie interne U
U = ΣEp = ΣEc
Formule variation d’énergie interne ΔU
ΔU = Uf - Ui
= ΔQ+ΔW
1ère loi thermodynamique
lors de toute transformation, il y a conservation de l’énergie
2e loi thermodynamique
s’il est toujours possible de transformer de l’énergie mécanique, électrique ou chimique en chaleur, l’inverse n’est pas complètement possible, en tout cas pas de façon spontanée
Que définit la 2e loi de TD
le sens le plus probable des transformations spontanées
Définition entropie S
grandeur thermodynamique qui mesure le degré de désordre des atomes et molécules du système
Formule entropie S
S = (ΔQ)/T en J/K-1
/!/ S augmente même lorsque T augmente car ΔQ augmente plus dans le même temps
Principe de Nernst
lorsque T = 0 kelvin alors l’entropie S est aussi égale à 0
Principe zéro
si deux systèmes sont en équilibre thermique avec un 3e, ils sont en équilibre thermique entre eux
De quoi dépendent les différences observables entre les états ?
des interactions entre les molécules
De quoi dépendent les interactions entre les molécules ?
- forces d’attraction
- forces de répulsion
- agitation thermique (=mouvement Brownien)
Liaisons intramoléculaires fortes
- liaison covalente/atomique
- liaison ionique
- liaison métallique
Liaison covalente/atomique
- très forte (400-800 kJ.mol-1)
- courte distance
- très difficile à rompre
- fige l’édifice moléculaire
- partage d’électrons de valence entre 2 atomes
Liaison ionique
- grande distance (1/r)
- liaison électrostatique entre les ions
- les + et les - s’attirent
- se dissocie sous l’action d’un solvant polaire
- résulte des interactions conlombiennes entre les ions de charges opposées
Liaison métallique
- forte
- entre les atomes d’un métal : les électrons de valence des métaux quittent l’atome et deviennent libres, formant une mer d’électrons ; création d’une attraction entre les cations métalliques et la mer d’électrons
- liaison chimique forte : résulte de l’action d’un fluide d’électrons délocalisés unissant des atomes ionisés positivement
Définition solvatation
phénomène physico-chimique observé lors de la dissolution d’un composant chimique dans un solvant
Liaisons intermoléculaires
- entre 2 ions (1/r)
- entre 2 molécules neutres = forces de Van der Waals (1/r6)
- entre 1 molécule neutre et un ion (1/r²)
Forces de Born ou de Pauli
- Quand les molécules sont très près les unes des autres, des forces de répulsions fonction de la distance apparaissent
- F = 1/r¹³
Effets des forces de Born/Pauli
- empêcher le recouvrement orbital des molécules entre elles
- négligeables au-delà de 1,25x le diamètre moléculaire
Forces de liaison
=> les forces attractives et répulsives d’équilibre pour une distance donnée (=rayon de Van der Waals) :
- position moyenne (les molécules se déplacent en permanence)
- energie potentielle du système à son minimum
Unité de Van der Waals
Å = 10-¹⁰ m
Définition mouvement Brownien
=> phénomène d’agitation thermique désordonnée
- l’énergie cinétique moyenne est proportionnelle à la température absolue
Mouvement Brownien et état de la matière
- gaz > liquide
- absent dans les solides
Quand cesse l’agitation moléculaire
au 0 absolu (= -273 K)
De quoi dépend le comportement macroscopique (=état) d’une molécule ?
de l’importance des énergies de liaison et de translation
Comment calcule-t-on l’énergie totale d’une molécule ?
E totale = E liaison + E translation + E rotation + E vibration
Quels sont les trois états fondamentaux de la matière ?
- solide
- liquide
- gazeux
Etat solide
- Energie de liaison > énergie de translation
- les molécules ne peuvent pas se séparer les unes des autres
- pas de mouvement Brownien, ni d’énergie de translation
- état condensé/cohérent, ordonné/cristallin ou désordonné/amorphe
- forme propre
- incompressible
- volume défini
Etat gazeux
- E translation > > E liaison, E rotation, E vibration
- molécules indépendantes les unes des autres
- état non condensé, désordonné, sans forme propre (=fluide), compressible
- mouvements Brownien ++
Gaz parfait
molécules :
- faiblement concentrées (=pression faible)
- volumes faibles par rapport au volume offert
- pas d’interaction entre elles
Gaz réel
molécules :
- plus concentrées (= pression forte)
- plus grosses
- partie non négligeable du volume offert
- interactions possiblesEt
Etat liquide
- E translation ≈ E liaison
- molécules au contact les unes des autres
- peuvent quitter l’interaction de leur voisine mais retombe sous l’emprise d’une molécule proche
- état condensé, ordonné à courte distance, désordonné à longue distance, sans forme propre
- mouvement Brownien
- quasiment incompressible
- ménisques (concave ou convexe)
En conditions normales de température et de pression, quelle est la distance entre les molécules pour chaque état ?
- gaz parfait : 30 Å
- gaz réel : 30 Å (densité faible)
- liquide : 3Å (densité élevée)
Comment se crée un dipôle électrique
molécules électriquement neutres:
- inégale répartition des charges positives par rapport aux charges négatives sur des groupes d’atomes constitutifs
- molécule dont les centres de gravité des charges ne coïncident pas
Définition moment dipolaire
grandeur vectorielle, orientée de la charge négative (q⁻) vers la charge positive (q⁺) espacées d’une distance d, de module q.d (en C.m)
Catégories de dipôles
3 :
- permanent
- induit
- instantané
Définition dipôle permanent
structure dipolaire naturelle de la molécule : en l’absence d’influence extérieure, il y a inégalités de répartition des charges
ex. H₂0
Définition liaison hydrogène
Liaison électrostatique (+ forte que les autres interactions dipole-dipole) qui se crée lorsqu’un atome d’hydrogène + petit atome électronégatif (ex. O-H ; N-H)
se trouve à proximité d’un autre atome électronégatif
=> orientée !
Doublets non liants des atomes N, O et F
- O = 2 doublets non liants
- N = 1 doublet non liant
- F = 3 doublet non liants
=> leurs doublets sont préférentiellement localisés dans certaines directions, la liaison hydrogène est donc orientée
moment dipolaire de l’eau
1,84 C.m
=> élevée
Qu’explique la liaison hydrogène ?
les propriétés physiques de l’eau
Molécule d’H₂0
- doublet électroniques de O-H attirés par l’oxygène + que par l’hydrogène
- addition des deux dipôles pour former un dipôle résultant
Définition dipôle induit
molécules qui, en l’absence d’action extérieure, ne présentent pas de structure dipolaire
=> répartition des charges + et - aléatoire
Comment apparait un dipôle induit ?
sous l’effet d’un champ électrique (d’une autre molécule polaire ou d’un ion)
Définition dipôle instantané
- un électron négatif et un noyau positif forment un dipôle dont l’orientation varie dans le temps
- la répartition du nuage électronique n’est symétrique qu’en moyenne dans le temps
- les mouvement des électrons à l’intérieur de la molécule entraînent des dissymétries instantanées qui peuvent induire des dipôles instantanés
A quoi peuvent être assimilé les mouvement des électrons ?
à de petits dipôles instantanés
Forces de London
forces attractives électrodynamiques
=> le dipôle moyen est nul
Structure ordonnée
solide cristallisé
Réseau cristallin
maillage, empilement périodique d’atome
Définition cristallographie
étude de la formation, de la structure et des propriétés des cristaux
Etat cristallin
- presque parfaitement ordonné
- seul facteur de désordre = vibration des atomes autour de leur position d’équilibre + rotation pour les cristaux moléculaires
Types de solides cristallisés
- cristaux métalliques : réseau de cations baignant dans un gaz d’électrons libres (ex. Au, Cu)
- cristaux ioniques : réseaux imbriqués d’ions + et - (ex. NaCl)
- cristaux atomiques : réseau d’atomes liés par des liaisons covalentes (ex. C)
- cristaux moléculaires : réseau de molécules liées par des interactions de Van der Walls (ex. H₂O solide)
Modèle du gaz parfait
modèle thermodynamique décrivant le comportement de tous les gaz réels à basse pression P
Que doit vérifier un gaz parfait ?
la loi de Boyle-Mariotte ET la loi d’Avogadro
Loi de Boyle-Mariotte
P.V = constant
et fonction de la température uniquement
Loi d’Avogadro
tous les gaz ont le même volume molaire dans les mêmes conditions de pression et de température
Eau dans l’organisme
- présente chez tous les êtres vivants
- Homme = principal constituant
- l’eau totale représente 65% du poids corporel humain
Répartition de l’eau totale chez l’Homme
- eau intracellulaire : 40%
- eau extracellulaire : 20%
3/4 eau interstitielle : 15%
1/2 eau plasmatique : 5%
Elimination de l’eau
- urine
- respiration
- sueur
- fèces
Apport d’eau
- boisson
- perfusion
- nutriments
Equilibre eau
les pertes sont adaptées aux apport, préservant un équilibre et évitant les modifications des cellules
